JP5883346B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は半導体記憶装置に関する。特に本発明は、電源を切っても記憶している論理状態が消えない信号処理装置の半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device. In particular, the present invention relates to a semiconductor memory device of a signal processing device in which a stored logic state does not disappear even when the power is turned off.

中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)などの信号処理装置は、その用途によって多種多様な構成を有している。信号処理装置は、一般的に、データやプログラムを記憶するためのメインメモリの他に、レジスタ、キャッシュメモリなど、各種の記憶装置が設けられている。レジスタは、演算処理やプログラムの実行状態の保持などのために一時的にデータ信号を保持する役割を担っている。また、キャッシュメモリは、演算装置とメインメモリの間に介在し、メインメモリへのアクセスを減らして演算処理を高速化させることを目的として設けられている。   A signal processing device such as a central processing unit (CPU) has various configurations depending on its application. In general, a signal processing device is provided with various storage devices such as a register and a cache memory in addition to a main memory for storing data and programs. The register has a role of temporarily holding a data signal for arithmetic processing, holding the execution state of the program, and the like. The cache memory is provided between the arithmetic device and the main memory, and is provided for the purpose of speeding up arithmetic processing by reducing access to the main memory.

信号処理装置においてレジスタやキャッシュメモリ等の記憶装置は、メインメモリよりも高速でデータ信号の書き込みを行う必要がある。よって、通常は、レジスタまたはキャッシュメモリとしてフリップフロップまたはSRAM(Static Random Access Memory)等が用いられる。つまり、これらのレジスタ、キャッシュメモリ等には、電源電圧の供給が途絶えるとデータ信号を消失してしまう揮発性の記憶装置が用いられている。   In a signal processing device, a storage device such as a register or a cache memory needs to write a data signal at a higher speed than the main memory. Therefore, a flip-flop or SRAM (Static Random Access Memory) is usually used as a register or cache memory. That is, for these registers, cache memories, and the like, volatile storage devices that lose data signals when supply of power supply voltage is interrupted are used.

消費電力を抑えるため、データ信号の入出力が行われない期間において信号処理装置への電源電圧の供給を一時的に停止するという方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の方法では、揮発性の記憶装置の周辺に不揮発性の記憶装置を配置し、上記データ信号をその不揮発性の記憶装置に一時的に記憶させる。   In order to suppress power consumption, a method has been proposed in which supply of power supply voltage to a signal processing device is temporarily stopped during a period in which no data signal is input / output (see, for example, Patent Document 1). In the method of Patent Document 1, a non-volatile storage device is arranged around a volatile storage device, and the data signal is temporarily stored in the non-volatile storage device.

特開2010−124290号公報JP 2010-124290 A

特許文献1に記載の構成では、信号処理装置において電源電圧の供給を停止する間、揮発性の記憶装置の周辺に配置した不揮発性の記憶装置へ揮発性の記憶装置のデータを移して記憶させることができる。   In the configuration described in Patent Document 1, while the supply of the power supply voltage is stopped in the signal processing device, the data of the volatile storage device is transferred to and stored in a nonvolatile storage device arranged around the volatile storage device. be able to.

しかしながら揮発性の記憶装置と不揮発性の記憶装置とを分割して動作させるため、電源電圧の供給を停止する前及び電源電圧の供給を復帰した後での、不揮発性の記憶装置へのデータの書き込み及び不揮発性の記憶装置からのデータの読み出しをするための、別の制御信号の入力が必要になる。したがって不揮発性の記憶装置へのデータの書き込み、及び不揮発性の記憶装置からのデータの読み出しをするための制御信号の生成及び当該信号を供給するための配線が必要となる。   However, since the volatile storage device and the nonvolatile storage device are operated separately, the data stored in the nonvolatile storage device before the supply of the power supply voltage is stopped and after the supply of the power supply voltage is restored. It is necessary to input another control signal for writing and reading data from the nonvolatile storage device. Accordingly, it is necessary to generate a control signal for writing data to the nonvolatile memory device and to read data from the nonvolatile memory device, and to provide wiring for supplying the signal.

上述の課題に鑑み、本発明の一態様は、電源電圧の停止及び復帰を行う構成において、外部回路より半導体記憶装置を制御するための信号数を削減することのできる半導体記憶装置を提供することを課題の一とする。   In view of the above problems, an embodiment of the present invention provides a semiconductor memory device in which the number of signals for controlling the semiconductor memory device can be reduced from an external circuit in a configuration in which power supply voltage is stopped and restored. Is one of the issues.

本発明の一態様は、不揮発性の半導体記憶装置とする際、揮発性の記憶装置と不揮発性の記憶装置を分離することなく構成する。具体的に半導体記憶装置には、酸化物半導体を半導体層に有するトランジスタを有する記憶回路と、記憶回路に保持されたデータを読み出すための電荷を蓄積する容量素子と、容量素子への電荷の蓄積を制御するための電荷蓄積回路と、データの読み出し状態を制御するデータ検出回路と、電源電圧が供給された直後の期間において、電源電圧の信号と電源電圧の信号を遅延させた信号とにより、電荷蓄積回路による容量素子への電荷の蓄積を制御するための信号を生成するタイミング制御回路と、容量素子の一方の電極の電位を反転して出力するインバータ回路と、を有する構成とするものである。そしてデータとクロック信号により電源電圧の停止及び復帰があっても内部にデータを記憶し、再度動作が可能な半導体記憶装置とするものである。 In one embodiment of the present invention, when a nonvolatile semiconductor memory device is used, a volatile memory device and a nonvolatile memory device are configured without being separated. Specifically, a semiconductor memory device includes a memory circuit including a transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor layer, a capacitor element that accumulates charges for reading data held in the memory circuit, and accumulation of charges in the capacitor element. A charge storage circuit for controlling the data, a data detection circuit for controlling a data reading state, and a signal obtained by delaying the power supply voltage signal and the power supply voltage signal in a period immediately after the power supply voltage is supplied, A timing control circuit that generates a signal for controlling charge accumulation in the capacitor element by the charge storage circuit, and an inverter circuit that inverts and outputs the potential of one electrode of the capacitor element. is there. Then, even if the power supply voltage is stopped and restored by the data and the clock signal, the data is stored therein, and a semiconductor memory device which can be operated again is obtained.

本発明の一態様は、第1端子がデータ入力線に電気的に接続され、ゲートがクロック信号線に電気的に接続され、酸化物半導体を半導体層に有する第1のトランジスタと、一方の電極が前記第1のトランジスタの第2端子に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲートが前記第1のトランジスタの第2端子及び前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第2のトランジスタとを、有する記憶回路と、前記記憶回路に保持されたデータを読み出すための電荷を蓄積する第2の容量素子と、電源電位線に電気的に接続され、前記第2の容量素子への電荷の蓄積を制御するための電荷蓄積回路と、前記第2の容量素子の一方の電極と前記第2のトランジスタの第1端子との導通状態または非導通状態を制御するデータ検出回路と、前記クロック信号線にクロック信号が供給される第1の期間において、前記クロック信号のトグル動作に応じて前記電荷蓄積回路と前記データ検出回路とが交互に導通状態となるような制御をし、且つ前記電源電位線に電源電圧が供給された直後の第2の期間において、前記電源電圧の信号と前記電源電圧による信号を遅延させた信号とにより、前記電荷蓄積回路による前記第2の容量素子への電荷の蓄積を制御するための信号を生成する、タイミング制御回路と、前記第2の容量素子の一方の電極の電位を反転して出力するインバータ回路と、を有する半導体記憶装置である。   According to one embodiment of the present invention, a first transistor having a first terminal electrically connected to a data input line, a gate electrically connected to a clock signal line, an oxide semiconductor in a semiconductor layer, and one electrode Is electrically connected to the second terminal of the first transistor, and the gate is electrically connected to the second terminal of the first transistor and one electrode of the first capacitor. A memory circuit having a second transistor connected thereto, a second capacitor element for accumulating charges for reading data held in the memory circuit, and a power source potential line; A charge storage circuit for controlling charge storage in the second capacitor element, and a conduction state or a non-conduction state between one electrode of the second capacitor element and the first terminal of the second transistor. Data detection circuit and front In the first period in which the clock signal is supplied to the clock signal line, control is performed so that the charge storage circuit and the data detection circuit are alternately turned on according to the toggle operation of the clock signal, and In the second period immediately after the power supply voltage is supplied to the power supply potential line, the charge storage circuit supplies the second capacitor element with the signal of the power supply voltage and the signal obtained by delaying the signal of the power supply voltage. A semiconductor memory device having a timing control circuit that generates a signal for controlling charge accumulation and an inverter circuit that inverts and outputs the potential of one electrode of the second capacitor element.

本発明の一態様は、第1端子がデータ入力線に電気的に接続され、ゲートがクロック信号線に電気的に接続され、酸化物半導体を半導体層に有する第1のトランジスタと、一方の電極が前記第1のトランジスタの第2端子に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲートが前記第1のトランジスタの第2端子及び前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第2のトランジスタとを、有する記憶回路と、前記記憶回路に保持されたデータを読み出すための電荷を蓄積する第2の容量素子と、第1端子が電源電位線に電気的に接続され、第2端子が前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第3のトランジスタを有する電荷蓄積回路と、第1端子が前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、第2端子が前記第2のトランジスタの第1端子に電気的に接続された第4のトランジスタを有するデータ検出回路と、前記クロック信号線にクロック信号が供給される第1の期間において前記クロック信号のトグル動作に応じて前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとが交互に導通状態となるような制御をし、且つ前記電源電位線に電源電圧が供給された直後の第2の期間において、前記電源電圧の信号と前記電源電圧による信号を遅延させた信号とにより、前記第3のトランジスタを導通状態とするための信号を生成する、タイミング制御回路と、前記第2の容量素子の一方の電極の電位を反転して出力するインバータ回路と、を有する半導体記憶装置である。   According to one embodiment of the present invention, a first transistor having a first terminal electrically connected to a data input line, a gate electrically connected to a clock signal line, an oxide semiconductor in a semiconductor layer, and one electrode Is electrically connected to the second terminal of the first transistor, and the gate is electrically connected to the second terminal of the first transistor and one electrode of the first capacitor. A memory circuit having a second transistor connected thereto, a second capacitor element for storing charges for reading data held in the memory circuit, and a first terminal electrically connected to a power supply potential line A charge storage circuit having a third transistor whose second terminal is electrically connected to one electrode of the second capacitor, and a first terminal electrically connected to one electrode of the second capacitor. Connected, and the second terminal is A data detection circuit having a fourth transistor electrically connected to the first terminal of the two transistors, and a toggle operation of the clock signal in a first period in which the clock signal is supplied to the clock signal line In the second period immediately after the power supply voltage is supplied to the power supply potential line, the power supply voltage signal is controlled so that the third transistor and the fourth transistor are alternately turned on. And a signal obtained by delaying the signal based on the power supply voltage to generate a signal for turning on the third transistor, and the potential of one electrode of the second capacitor element is inverted. And an inverter circuit that outputs the data.

本発明の一態様において、前記第2のトランジスタはシリコンを半導体層に有する半導体記憶装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the second transistor is preferably a semiconductor memory device including silicon in a semiconductor layer.

本発明の一態様において、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとが積層して設けられている半導体記憶装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, a semiconductor memory device in which the first transistor and the second transistor are stacked is preferable.

本発明の一態様において、前記データ検出回路は、前記第2のトランジスタの導通状態に基づいた前記第2の容量素子に蓄積された前記電荷の放出の有無により、前記第2の容量素子の一方の電極の電位を前記データが反転した反転データ信号に変換する回路である半導体記憶装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the data detection circuit includes one of the second capacitor elements depending on whether or not the charge stored in the second capacitor element is released based on a conduction state of the second transistor. A semiconductor memory device which is a circuit for converting the potential of the electrode into an inverted data signal obtained by inverting the data is preferable.

本発明の一態様において、前記電源電圧の信号を遅延させた回路は、遅延回路とバッファ回路とで構成される半導体記憶装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the circuit in which the signal of the power supply voltage is delayed is preferably a semiconductor memory device including a delay circuit and a buffer circuit.

本発明の一態様において、前記タイミング制御回路は、前記電源電圧の信号と前記電源電圧を遅延させた信号とが入力される前記否定論理積回路と、前記否定論理積回路の出力信号と前記クロック信号とが入力される論理和回路で構成される半導体記憶装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the timing control circuit includes the NAND circuit to which the signal of the power supply voltage and a signal obtained by delaying the power supply voltage are input, an output signal of the NAND circuit, and the clock A semiconductor memory device including an OR circuit to which a signal is input is preferable.

本発明の一態様により、電源電圧の停止及び復帰を行う構成において、クロック信号によりデータの記憶及び出力を可能とすることができる。また電源電圧が停止した際のデータの保持を別の制御信号を外部回路より供給することなく可能とすることで、半導体記憶装置を制御するための信号数を削減することができる。   According to one embodiment of the present invention, data can be stored and output by a clock signal in a configuration in which power supply voltage is stopped and restored. In addition, the number of signals for controlling the semiconductor memory device can be reduced by making it possible to retain data when the power supply voltage is stopped without supplying another control signal from an external circuit.

半導体記憶装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置を説明するための回路図。FIG. 11 is a circuit diagram for explaining a semiconductor memory device. 半導体記憶装置のタイミングチャート図。FIG. 6 is a timing chart of the semiconductor memory device. 半導体記憶装置の動作を説明する図。6A and 6B illustrate an operation of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の動作を説明する図。6A and 6B illustrate an operation of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の動作を説明する図。6A and 6B illustrate an operation of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の構成を示す図。1 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor memory device. 信号処理装置のブロック図。The block diagram of a signal processing apparatus. 半導体記憶装置を用いたCPUのブロック図。1 is a block diagram of a CPU using a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor memory device. 本発明の一態様に係る酸化物材料の結晶構造を説明する図。6A and 6B illustrate a crystal structure of an oxide material according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物材料の結晶構造を説明する図。6A and 6B illustrate a crystal structure of an oxide material according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物材料の結晶構造を説明する図。6A and 6B illustrate a crystal structure of an oxide material according to one embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明の構成は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the configuration of the present invention can be implemented in many different modes, and it is easy for those skilled in the art to change the form and details in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention. To be understood. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of this embodiment mode. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numeral is used in different drawings.

なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、信号波形、または領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。   Note that the size, the layer thickness, the signal waveform, or the region of each structure illustrated in the drawings and the like in the embodiments is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお、AとBとが接続されている、と明示的に記載する場合は、AとBとが電気的に接続されている場合と、AとBとが機能的に接続されている場合と、AとBとが直接接続されている場合とを含むものとする。 In addition, when it is explicitly described that A and B are connected, A and B are electrically connected, and A and B are functionally connected. , A and B are directly connected.

なお本明細書にて用いる第1、第2、第3、乃至第N(Nは自然数)という用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。   Note that the terms “first”, “second”, “third” to “N” (N is a natural number) used in this specification are given to avoid confusion of components and are not limited numerically. I will add that.

(実施の形態1)
信号処理装置は半導体記憶装置を有する。信号処理装置は、単数または複数設けられる半導体記憶装置によって1ビットまたは複数ビットのデータ信号を記憶することができる。本実施の形態では、信号処理装置における半導体記憶装置の構成について説明する。
(Embodiment 1)
The signal processing device has a semiconductor memory device. The signal processing device can store a 1-bit or multiple-bit data signal by using one or more semiconductor memory devices. In this embodiment, a structure of a semiconductor memory device in a signal processing device is described.

なお、CPU、マイクロプロセッサ、画像処理回路、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のLSI(Large Scale Integrated Circuit)等が、信号処理装置の範疇に含まれる。   The category of the signal processing device includes a CPU, a microprocessor, an image processing circuit, an LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a DSP (Digital Signal Processor), and an FPGA (Field Programmable Gate Array).

図1(A)に半導体記憶装置のブロック図の一例を示す。図1(A)に示す本実施の形態の半導体記憶装置100は、クロック信号CLKのトグル動作により、入力されるデータDの保持及び出力が可能な回路である。本実施の形態の構成では、クロック信号がHレベル(高電源電位VDDのレベル)のタイミングでデータDを取り込み、クロック信号がLレベル(低電源電位VSSのレベル)のタイミングで取り込んだデータDを出力信号Qとして出力する。加えて本実施の形態の構成では、データを保持しているタイミングで高電源電位VDDと低電源電位VSS(GND)による電源電圧が停止しても、半導体記憶装置の内部では取り込んだデータDの保持が可能であり、再度電源電圧が復帰した場合に保持していたデータDの出力から動作を再開可能とするものである。   FIG. 1A illustrates an example of a block diagram of a semiconductor memory device. A semiconductor memory device 100 of this embodiment mode illustrated in FIG. 1A is a circuit capable of holding and outputting input data D by a toggle operation of a clock signal CLK. In the configuration of the present embodiment, data D is captured at the timing when the clock signal is at the H level (high power supply potential VDD level), and data D is captured at the timing when the clock signal is at the L level (low power supply potential VSS level). Output as output signal Q. In addition, in the structure of this embodiment, even if the power supply voltage due to the high power supply potential VDD and the low power supply potential VSS (GND) is stopped at the timing when data is held, the data D captured in the semiconductor memory device is stored. The operation can be resumed from the output of the data D held when the power supply voltage is restored again.

なお本明細書における信号または電源電圧の停止とは、信号または電源電圧を供給する配線に供給する、信号または電源電圧の供給を行わないことをいう。また本明細書における信号または電源電圧の復帰とは、信号または電源電圧を供給する配線に供給する、信号または電源電圧の供給を停止していた状態から再度供給を再開することをいう。また本明細書における信号の固定とは、例えば所定の周波数によって発振される交流信号を、高電源電位VDDまたは低電源電位VSSの固定電位の直流信号にすることをいう。 Note that the stop of a signal or power supply voltage in this specification means that a signal or power supply voltage supplied to a wiring that supplies the signal or power supply voltage is not supplied. In this specification, the return of the signal or the power supply voltage refers to restarting the supply from the state where the supply of the signal or the power supply voltage supplied to the wiring for supplying the signal or the power supply voltage is stopped. In the present specification, “fixing a signal” refers to, for example, turning an AC signal oscillated at a predetermined frequency into a DC signal having a fixed potential of the high power supply potential VDD or the low power supply potential VSS.

次いで具体的な半導体記憶装置100の回路構成について図1(B)に示す。図1(B)に示す半導体記憶装置100は、第1の容量素子113を有する記憶回路101、第2の容量素子102、電荷蓄積回路103(プリチャージ回路ともいう)、データ検出回路104、タイミング制御回路105及びインバータ回路106を有する。   Next, a specific circuit configuration of the semiconductor memory device 100 is illustrated in FIG. A semiconductor memory device 100 illustrated in FIG. 1B includes a memory circuit 101 including a first capacitor 113, a second capacitor 102, a charge storage circuit 103 (also referred to as a precharge circuit), a data detection circuit 104, a timing A control circuit 105 and an inverter circuit 106 are included.

また図1(B)では半導体記憶装置100に入出力される信号を示している。図1(B)では、高電源電位VDDを供給する第1の電源電位線VDD、低電源電位VSSを供給する第2の電源電位線VSS、データDを供給するデータ入力線D、クロック信号CLKを供給するクロック信号線CLK、出力信号Qを出力する出力信号線Qが設けられている。また図1(B)では、高電源電位VDDの供給が復帰する際に当該高電源電位VDDが供給されることによる電位の上昇を遅延させた信号VDD_delayを供給する遅延高電源電位線VDD_delayが設けられている。   FIG. 1B shows signals input to and output from the semiconductor memory device 100. In FIG. 1B, a first power supply potential line VDD that supplies a high power supply potential VDD, a second power supply potential line VSS that supplies a low power supply potential VSS, a data input line D that supplies data D, and a clock signal CLK. Are provided, and a clock signal line CLK for supplying the output signal Q and an output signal line Q for outputting the output signal Q are provided. In FIG. 1B, a delayed high power supply potential line VDD_delay for supplying a signal VDD_delay in which a rise in potential due to the supply of the high power supply potential VDD is delayed when the supply of the high power supply potential VDD is restored is provided. It has been.

図1(B)に示す記憶回路101は、第1のトランジスタ111、第2のトランジスタ112及び第1の容量素子113と、を有する。第1のトランジスタ111のソース及びドレインの一方の電極(第1端子)は、データ信号線Dに接続されている。第1のトランジスタ111のソース及びドレインの他方の電極(第2端子)は、第2のトランジスタ112のゲート及び第1の容量素子113の一方の電極に接続されている。第1のトランジスタ111のゲートは、クロック信号線CLKに接続されている。第1の容量素子113の他方の電極は第2の電源電位線VSSに接続されている。なお第1のトランジスタ111、第2のトランジスタ112及び第1の容量素子113が接続されたノードは、以下の説明において「記憶ノードD_HOLD」と呼ぶ。   A memory circuit 101 illustrated in FIG. 1B includes a first transistor 111, a second transistor 112, and a first capacitor 113. One electrode (first terminal) of the source and drain of the first transistor 111 is connected to the data signal line D. The other electrode (second terminal) of the source and drain of the first transistor 111 is connected to the gate of the second transistor 112 and one electrode of the first capacitor 113. The gate of the first transistor 111 is connected to the clock signal line CLK. The other electrode of the first capacitor 113 is connected to the second power supply potential line VSS. Note that a node to which the first transistor 111, the second transistor 112, and the first capacitor 113 are connected is referred to as a “storage node D_HOLD” in the following description.

第1のトランジスタ111はゲートに供給されるクロック信号CLKのトグル動作に応じてデータDを記憶ノードD_HOLDに取り込む。例えば第1のトランジスタ111がnチャネル型のトランジスタであれば、クロック信号CLKがHレベルのとき、第1のトランジスタ111が導通状態となりデータDが記憶ノードD_HOLDに取り込まれる。またクロック信号CLKがLレベルのとき、第1のトランジスタ111が非導通状態となり、記憶ノードD_HOLDにおいて直前に取り込まれたデータDが保持される状態となる。   The first transistor 111 takes the data D into the storage node D_HOLD in accordance with the toggle operation of the clock signal CLK supplied to the gate. For example, when the first transistor 111 is an n-channel transistor, when the clock signal CLK is at an H level, the first transistor 111 is turned on and data D is taken into the storage node D_HOLD. When the clock signal CLK is at the L level, the first transistor 111 is turned off, and the data D that has been captured immediately before is stored in the storage node D_HOLD.

図1(B)に示す第1のトランジスタ111は、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。なお図面において、第1のトランジスタ111は酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであることを示すために、OSの符号を付している。   A first transistor 111 illustrated in FIG. 1B is a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer. Note that in the drawings, the first transistor 111 is denoted by an OS symbol to indicate that a channel is formed in an oxide semiconductor layer.

酸化物半導体としては、少なくともIn、Ga、Sn及びZnから選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Al−Zn−O系酸化物半導体や、二元系金属の酸化物であるIn−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系酸化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体、In−Ga−O系酸化物半導体や、一元系金属の酸化物であるIn−O系酸化物半導体、Sn−O系酸化物半導体、Zn−O系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体にInとGaとSnとZn以外の元素、例えばSiOを含ませてもよい。 An oxide semiconductor contains at least one element selected from In, Ga, Sn, and Zn. For example, an In—Sn—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor that is an oxide of a quaternary metal, an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor that is an oxide of a ternary metal, or In—Sn -Zn-O-based oxide semiconductor, In-Al-Zn-O-based oxide semiconductor, Sn-Ga-Zn-O-based oxide semiconductor, Al-Ga-Zn-O-based oxide semiconductor, Sn-Al-Zn -O-based oxide semiconductors, In-Zn-O-based oxide semiconductors that are binary metal oxides, Sn-Zn-O-based oxide semiconductors, Al-Zn-O-based oxide semiconductors, Zn-Mg -O-based oxide semiconductors, Sn-Mg-O-based oxide semiconductors, In-Mg-O-based oxide semiconductors, In-Ga-O-based oxide semiconductors, and In-O-based oxides of one-component metals An oxide semiconductor, a Sn—O-based oxide semiconductor, a Zn—O-based oxide semiconductor, or the like is used. Kill. Further, an element other than In, Ga, Sn, and Zn, for example, SiO 2 may be included in the oxide semiconductor.

例えば、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体とは、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。   For example, an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor means an oxide semiconductor containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn), and there is no limitation on the composition ratio.

また、酸化物半導体は、化学式InMO(ZnO)(m>0)で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Mは、Zn、Ga、Al、Mn及びCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、またはGa及びCoなどがある。 As the oxide semiconductor, a thin film represented by the chemical formula, InMO 3 (ZnO) m (m> 0) can be used. Here, M represents one or more metal elements selected from Zn, Ga, Al, Mn, and Co. For example, M includes Ga, Ga and Al, Ga and Mn, or Ga and Co.

また、酸化物半導体としてIn−Zn−O系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル数比に換算するとIn:ZnO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル数比に換算するとIn:ZnO=10:1〜1:2)、更に好ましくはIn:Zn=1.5:1〜15:1(モル数比に換算するとIn:ZnO=3:4〜15:2)とする。例えば、In−Zn−O系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がIn:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。 In the case where an In—Zn—O-based material is used as the oxide semiconductor, the composition ratio of the target used is an atomic ratio, and In: Zn = 50: 1 to 1: 2 (in terms of the molar ratio, In 2 O 3 : ZnO = 25: 1 to 1: 4), preferably In: Zn = 20: 1 to 1: 1 (In 2 O 3 : ZnO = 10: 1 to 1: 2 in terms of molar ratio), More preferably, In: Zn = 1.5: 1 to 15: 1 (In 2 O 3 : ZnO = 3: 4 to 15: 2 in terms of molar ratio). For example, a target used for forming an In—Zn—O-based oxide semiconductor satisfies Z> 1.5X + Y when the atomic ratio is In: Zn: O = X: Y: Z.

酸化物半導体層内の水素を徹底的に排除することで高純度化された酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタは、そのオフ電流密度を100zA/μm以下、好ましくは10zA/μm以下、更に好ましくは1zA/μm以下にすることができる。よって、このオフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。その結果、第1のトランジスタ111が非導通状態である時、記憶ノードD_HOLDの電位、即ち第2のトランジスタ112のゲートの電位を長期間にわたり保持することができる。   A transistor in which a channel is formed in a highly purified oxide semiconductor layer by thoroughly removing hydrogen in the oxide semiconductor layer has an off-current density of 100 zA / μm or less, preferably 10 zA / μm or less, More preferably, it can be 1 zA / μm or less. Therefore, this off-state current is significantly lower than the off-state current of a transistor using silicon having crystallinity. As a result, when the first transistor 111 is off, the potential of the storage node D_HOLD, that is, the potential of the gate of the second transistor 112 can be held for a long time.

なお本明細書で説明するオフ電流とは、トランジスタが非導通状態のときに、ソースとドレインの間に流れる電流をいう。nチャネル型のトランジスタ(例えば、閾値電圧が0乃至2V程度)では、ゲートとソースとの間に印加される電圧が負の電圧の場合に、ソースとドレインとの間を流れる電流のことをいう。   Note that the off-state current described in this specification refers to a current that flows between a source and a drain when a transistor is off. In an n-channel transistor (for example, a threshold voltage of about 0 to 2 V), a current flowing between a source and a drain when a voltage applied between the gate and the source is a negative voltage. .

なお、上記において、酸化物半導体材料の代わりに酸化物半導体材料と同等のオフ電流特性が実現できる材料を用いても良い。例えば、炭化シリコンをはじめとするワイドギャップ材料(より具体的には、例えば、エネルギーギャップEgが3eVより大きい半導体材料)などを適用することができる。また、トランジスタの代わりにMEMSスイッチ等を用いて配線間の接続を切り離すことにより、記憶ノードD_HOLDの電荷の長期間の保持を実現する構成としてもよい。   Note that in the above, a material that can realize off-state current characteristics equivalent to those of an oxide semiconductor material may be used instead of the oxide semiconductor material. For example, a wide gap material such as silicon carbide (more specifically, for example, a semiconductor material having an energy gap Eg larger than 3 eV) can be used. Alternatively, a structure may be employed in which the charge of the storage node D_HOLD is held for a long time by disconnecting a connection between wirings using a MEMS switch or the like instead of the transistor.

図1(B)に示す第2のトランジスタ112は、スイッチとして機能する素子である。図1(B)では、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタを用いて構成された例を示す。ここでいうスイッチとは、スイッチの一方の端子がトランジスタのソース及びドレインの一方に対応し、スイッチの他方の端子がトランジスタのソース及びドレインの他方に対応する。またスイッチの導通状態または非導通状態は、トランジスタのゲートに保持されるデータDに基づく電位によって選択される。nチャネル型のトランジスタである第2のトランジスタ112がスイッチとして機能する場合、Hレベルによって導通状態(ON状態)、Lレベルによって非導通状態(OFF状態)が選択される。   A second transistor 112 illustrated in FIG. 1B is an element functioning as a switch. FIG. 1B illustrates an example in which a transistor of one conductivity type (for example, an n-channel type) is used. The switch here refers to one terminal of the switch corresponding to one of a source and a drain of the transistor, and the other terminal of the switch corresponding to the other of the source and the drain of the transistor. In addition, the conduction state or non-conduction state of the switch is selected by a potential based on data D held in the gate of the transistor. When the second transistor 112 which is an n-channel transistor functions as a switch, a conductive state (ON state) is selected by the H level and a non-conductive state (OFF state) is selected by the L level.

図1(B)において、第2のトランジスタ112は、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。   In FIG. 1B, the second transistor 112 can be a transistor in which a channel is formed in a layer or substrate formed using a semiconductor other than an oxide semiconductor. For example, a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate can be used.

なお、第1の容量素子113は、第2のトランジスタ112のゲートと第1のトランジスタ111のソース及びドレインの一方の電極とで形成される容量等を利用することによって、省略することも可能である。   Note that the first capacitor 113 can be omitted by using a capacitor formed by the gate of the second transistor 112 and one of the source and drain electrodes of the first transistor 111. is there.

次いで図1(B)に示す第2の容量素子102は、一方の電極に予め蓄積した電荷をデータDに応じて放電の有無を選択し、放電の有無によって変化した電荷に応じた電位をインバータ回路106を介して出力信号Qとして出力するものである。したがって第2の容量素子は、電荷が蓄積された第1の状態と、記憶回路101の記憶ノードD_HOLDに保持されたデータDに応じて電荷の放電が選択された状態である第2の状態と、をとることができる。なお第2の容量素子102の一方の電極のノードは、以下の説明において「蓄積ノードN_PRE」と呼ぶ。 Next, the second capacitor 102 shown in FIG. 1B selects the presence / absence of discharge of the charge accumulated in advance in one electrode according to the data D, and the potential corresponding to the charge changed according to the presence / absence of the discharge is inverted. The output signal Q is output via the circuit 106. Therefore, the second capacitor element has a first state in which charges are accumulated and a second state in which charge discharge is selected according to data D held in the storage node D_HOLD of the storage circuit 101. , Can be taken. Note that the node of one electrode of the second capacitor 102 is referred to as “storage node N_PRE” in the following description.

図1(B)に示す電荷蓄積回路103は、第2の容量素子102の蓄積ノードN_PREに電荷を蓄積することで第1の状態とするための回路である。電荷蓄積回路103は、nチャネル型のトランジスタである第3のトランジスタ114を有する。第3のトランジスタ114の第1端子は、高電源電位VDDを供給する第1の電源電位線VDDに接続されている。第3のトランジスタ114の第2端子は、第2の容量素子の一方の電極に接続されている。第3のトランジスタ114のゲートは、タイミング制御回路105に接続されており、タイミング制御回路105からの信号に応じて導通状態または非導通状態が制御される。   A charge storage circuit 103 illustrated in FIG. 1B is a circuit for storing the charge in the storage node N_PRE of the second capacitor 102 to be in the first state. The charge storage circuit 103 includes a third transistor 114 which is an n-channel transistor. A first terminal of the third transistor 114 is connected to a first power supply potential line VDD that supplies a high power supply potential VDD. A second terminal of the third transistor 114 is connected to one electrode of the second capacitor. The gate of the third transistor 114 is connected to the timing control circuit 105, and a conduction state or a non-conduction state is controlled in accordance with a signal from the timing control circuit 105.

図1(B)に示すデータ検出回路104は、第2の容量素子102の蓄積ノードN_PREと記憶回路101における第2のトランジスタ112の第1端子との導通状態または非導通状態を制御する回路である。データ検出回路104は、pチャネル型のトランジスタである第4のトランジスタ115を有する。第4のトランジスタ115の第1端子は、第2の容量素子102の一方の電極に接続されている。第4のトランジスタ115の第2端子は、第2のトランジスタ112の第1端子に接続されている。第4のトランジスタ115のゲートは、タイミング制御回路105に接続されており、タイミング制御回路105からの信号に応じて導通状態または非導通状態が制御される。   A data detection circuit 104 illustrated in FIG. 1B is a circuit that controls conduction or non-conduction between the accumulation node N_PRE of the second capacitor 102 and the first terminal of the second transistor 112 in the memory circuit 101. is there. The data detection circuit 104 includes a fourth transistor 115 which is a p-channel transistor. A first terminal of the fourth transistor 115 is connected to one electrode of the second capacitor 102. The second terminal of the fourth transistor 115 is connected to the first terminal of the second transistor 112. The gate of the fourth transistor 115 is connected to the timing control circuit 105, and a conduction state or a non-conduction state is controlled in accordance with a signal from the timing control circuit 105.

図1(B)に示すタイミング制御回路105は、クロック信号CLKがクロック信号線CLKに供給される期間(第1の期間ともいう)において、クロック信号CLKのトグル動作に応じて電荷蓄積回路103とデータ検出回路104とが交互に導通状態となるように制御する回路である。また図1(B)に示すタイミング制御回路105は、第1の電源電位線VDDに高電源電位VDDが供給された直後の期間(第2の期間ともいう)において、高電源電位VDDによる信号と当該高電源電位VDDによる信号を遅延させた信号VDD_delayとにより生成されるタイミング信号により、電荷蓄積回路103による第2の容量素子の蓄積ノードN_PREへの電荷の蓄積を制御する信号を生成する回路である。   The timing control circuit 105 illustrated in FIG. 1B includes the charge accumulation circuit 103 and the charge storage circuit 103 in accordance with a toggle operation of the clock signal CLK in a period during which the clock signal CLK is supplied to the clock signal line CLK (also referred to as a first period). This is a circuit for controlling the data detection circuit 104 to be alternately in a conductive state. In addition, the timing control circuit 105 illustrated in FIG. 1B outputs a signal generated by the high power supply potential VDD in a period immediately after the high power supply potential VDD is supplied to the first power supply potential line VDD (also referred to as a second period). A circuit that generates a signal for controlling charge accumulation in the accumulation node N_PRE of the second capacitor by the charge accumulation circuit 103 based on a timing signal generated by a signal VDD_delay obtained by delaying a signal by the high power supply potential VDD. is there.

なお前述の電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114、及びデータ検出回路104における第4のトランジスタ115の導電型は交互に導通するように動作させるために設定するものである。また第3のトランジスタ114をnチャネル型のトランジスタとするのは、高電源電位VDDによる信号と当該高電源電位VDDによる信号を遅延させた信号VDD_delayとで生成されるタイミング信号によって、導通状態となるよう制御するためである。 Note that the conductivity types of the third transistor 114 in the above-described charge storage circuit 103 and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 are set so as to operate alternately. The third transistor 114 is an n-channel transistor which is turned on by a timing signal generated by a signal based on the high power supply potential VDD and a signal VDD_delay obtained by delaying the signal based on the high power supply potential VDD. This is because of control.

なお、高電源電位VDDによる信号を遅延させるための回路について、図2に一例を示す。図2に示す回路は、遅延回路部201及びバッファ回路部202を有する。遅延回路部201としては、抵抗素子203及び容量素子204を利用したRC遅延回路で構成すればよい。またバッファ回路部202としては、高電源電位VDDが供給される配線側にnチャネル型トランジスタ205を設け、低電源電位VSSが供給される配線側にpチャネル型トランジスタ206を設ける構成とすればよい。こうして遅延回路部201での信号の遅延を、バッファ回路部202への入力のLレベルからHレベルへの切り替わりのタイミングに変換することができる。 Note that FIG. 2 shows an example of a circuit for delaying a signal by the high power supply potential VDD. The circuit illustrated in FIG. 2 includes a delay circuit unit 201 and a buffer circuit unit 202. The delay circuit unit 201 may be configured by an RC delay circuit using the resistor element 203 and the capacitor element 204. The buffer circuit portion 202 may have a structure in which the n-channel transistor 205 is provided on the wiring side to which the high power supply potential VDD is supplied and the p-channel transistor 206 is provided on the wiring side to which the low power supply potential VSS is supplied. . In this way, the signal delay in the delay circuit unit 201 can be converted into the switching timing of the input to the buffer circuit unit 202 from the L level to the H level.

ここで図1(B)では、タイミング制御回路105の具体的な回路構成の例を示す。図1(B)でタイミング制御回路105は、NAND回路116(否定論理積回路)、OR回路117(論理和回路)を有する。NAND回路116には、高電源電位VDDによる信号と当該高電源電位VDDによる信号を遅延させた信号VDD_delayとが入力され、NAND回路出力信号NAND_OUTを出力する。またOR回路117には、NAND回路出力信号NAND_OUTとクロック信号CLKとが入力され、OR回路出力信号OR_OUTを出力する。 Here, FIG. 1B illustrates an example of a specific circuit configuration of the timing control circuit 105. In FIG. 1B, the timing control circuit 105 includes a NAND circuit 116 (negative logical product circuit) and an OR circuit 117 (logical sum circuit). The NAND circuit 116 receives a signal based on the high power supply potential VDD and a signal VDD_delay obtained by delaying the signal based on the high power supply potential VDD, and outputs a NAND circuit output signal NAND_OUT. The OR circuit 117 receives the NAND circuit output signal NAND_OUT and the clock signal CLK, and outputs an OR circuit output signal OR_OUT.

図1(B)に示すインバータ回路106は、第2の容量素子102の蓄積ノードN_PREの信号を反転した信号にして出力信号Qとして出力するための回路である。インバータ回路106は、例えば、pチャネル型トランジスタとnチャネル型トランジスタとを組み合わせた回路構成を用いればよい。   An inverter circuit 106 illustrated in FIG. 1B is a circuit for converting the signal of the storage node N_PRE of the second capacitor 102 into an inverted signal and outputting the inverted signal. For the inverter circuit 106, for example, a circuit configuration in which a p-channel transistor and an n-channel transistor are combined may be used.

次いで、データDの保持及び出力を繰り返す動作時において、電源電圧の供給を停止し、再び電源電圧の供給を復帰する場合の、本実施の形態の構成である半導体記憶装置100の動作について説明する。図3には図1(B)に示す半導体記憶装置のタイミングチャート図を示し、当該タイミングチャート図を参照して説明する。図3のタイミングチャート図において、VDD、VDD_delay、VSS、NAND_OUT、OR_OUT、D_HOLD、N_PRE及びQは、図1(B)で説明した入出力信号及びノードの電位に対応する。また図3に示すタイミングチャート図では、半導体記憶装置100が取り得る複数の状態について説明するため、図4乃至図6を用いて期間t1乃至期間t6の複数の期間を示している。 Next, in the operation of repeatedly holding and outputting data D, the operation of the semiconductor memory device 100 having the configuration of this embodiment when the supply of the power supply voltage is stopped and the supply of the power supply voltage is restored will be described. . FIG. 3 shows a timing chart of the semiconductor memory device shown in FIG. 1B and will be described with reference to the timing chart. In the timing chart of FIG. 3, VDD, VDD_delay, VSS, NAND_OUT, OR_OUT, D_HOLD, N_PRE, and Q correspond to the input / output signals and node potentials described in FIG. 3 illustrates a plurality of periods t1 to t6 using FIGS. 4 to 6 in order to describe a plurality of states that the semiconductor memory device 100 can take.

なお図3乃至図6での説明において、データDはデータ毎にD1乃至DN(Nは自然数)と番号を付して示している。これは半導体記憶装置100内に取り込まれたデータDがどのタイミングで出力されるかを説明するために示すものである。またデータD1乃至DNが反転した信号があらわれる蓄積ノードN_PREの信号は、反転データD1_B乃至DN_Bとして示している。なお反転データD1_B乃至DN_Bが反転した信号は、データD1乃至DNとなる。 In the description with reference to FIG. 3 to FIG. 6, the data D is shown with numbers D1 to DN (N is a natural number) for each data. This is shown for explaining at what timing the data D taken in the semiconductor memory device 100 is output. Further, the signal of the storage node N_PRE in which a signal obtained by inverting the data D1 to DN is shown as inverted data D1_B to DN_B. Note that signals obtained by inverting the inverted data D1_B to DN_B become data D1 to DN.

なお、以下に示す図3の動作の説明では、各トランジスタの導電型及び論理回路を、図1(B)に示した構成として説明する。なお以下に示す動作の説明はこれに限定されず、各トランジスタの導通状態が図3と同じようになれば、適宜各トランジスタの導電性、論理回路の組み合わせ及び各制御信号の電位を設定することができる。また各信号は、Hレベル(高電源電位VDD)及びLレベル(低電源電位VSS)で表すことができる。 Note that in the following description of the operation in FIG. 3, the conductivity type and logic circuit of each transistor are described as the structure illustrated in FIG. Note that the following description of the operation is not limited to this, and if the conduction state of each transistor is the same as in FIG. 3, the conductivity of each transistor, the combination of logic circuits, and the potential of each control signal should be set as appropriate. Can do. Each signal can be represented by an H level (high power supply potential VDD) and an L level (low power supply potential VSS).

まずデータDの保持及び出力を繰り返す動作を行う、図3中の第1の動作期間T_ON1の動作について説明する。第1の動作期間T_ON1では、データD1をデータ入力線Dから記憶ノードD_HOLDに取り込む、クロック信号CLKのトグル動作によってクロック信号CLKがHレベルとなる期間(図3中、期間t1)と、期間t1で記憶ノードD_HOLDに取り込まれたデータD1を保持し、且つ当該データD1を出力信号Qとして出力信号線より出力する期間(図3中、期間t2)に分けることができる。   First, the operation in the first operation period T_ON1 in FIG. 3 in which the operation of repeatedly holding and outputting the data D is described. In the first operation period T_ON1, the period in which the data D1 is taken into the storage node D_HOLD from the data input line D and the clock signal CLK becomes H level by the toggle operation of the clock signal CLK (period t1 in FIG. 3) and the period t1 Thus, the data D1 taken into the storage node D_HOLD can be held, and the data D1 can be divided into periods (period t2 in FIG. 3) in which the data D1 is output from the output signal line as the output signal Q.

第1の動作期間T_ON1の期間t1での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図4(A)に示す。 FIG. 4A is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that can be taken by the semiconductor memory device 100 in the period t1 of the first operation period T_ON1 are visualized by dotted arrows.

期間t1ではクロック信号CLKはHレベルであり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が導通状態となる。そのためデータ入力線DからデータD1が記憶ノードD_HOLDに供給される。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD1の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t1, the clock signal CLK is at an H level, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is turned on. Therefore, the data D1 is supplied from the data input line D to the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D1, and indicates “ON / OFF” in the drawing.

また期間t1では第1の電源電位線VDD及び遅延電源電位線VDD_delayがHレベルである。したがって、NAND_OUTはLレベルとなり、OR_OUTはHレベルとなる。OR_OUTがHレベルになると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114が導通状態となり、データ検出回路104における第4のトランジスタ115が非導通状態となる。その結果、蓄積ノードN_PREの電位が電荷蓄積回路103による電荷蓄積に伴いHレベルに上昇する。そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号はLレベルとなる。 In the period t1, the first power supply potential line VDD and the delayed power supply potential line VDD_delay are at the H level. Therefore, NAND_OUT is at L level and OR_OUT is at H level. When OR_OUT becomes H level, the third transistor 114 in the charge accumulation circuit 103 is turned on, and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 is turned off. As a result, the potential of the storage node N_PRE rises to the H level as the charge storage circuit 103 stores the charge. The output signal output via the inverter circuit 106 is at L level.

第1の動作期間T_ON1の期間t2での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図4(B)に示す。 FIG. 4B is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that can be taken by the semiconductor memory device 100 in the period t2 of the first operation period T_ON1 are visualized by dotted arrows.

期間t2ではクロック信号CLKはLレベルであり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が非導通状態となる。そのためデータ入力線DがデータD2であっても、記憶ノードD_HOLDには前の期間に書き込まれたデータD1が保持される。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD1の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t2, the clock signal CLK is at an L level, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is turned off. Therefore, even if the data input line D is data D2, the data D1 written in the previous period is held in the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D1, and indicates “ON / OFF” in the drawing.

また期間t2では第1の電源電位線VDD及び遅延電源電位線VDD_delayがHレベルである。したがって、NAND_OUTはLレベルとなり、OR_OUTはLレベルとなる。OR_OUTがLレベルになると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114が非導通状態となり、データ検出回路104における第4のトランジスタ115が導通状態となる。その結果、期間t1でHレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が、第2のトランジスタ112の導通状態に応じて変動することとなる。具体的にはデータD1がHレベルであれば第2のトランジスタ112が導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が下降し、データD1が反転したLレベルとなる。またデータD1がLレベルであれば第2のトランジスタ112が非導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が保持され、データD1が反転したHレベルとなる。すなわち蓄積ノードN_PREは、データD1が反転した反転データD1_Bとなる。そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号は、反転データD1_Bを反転したD1となる。 In the period t2, the first power supply potential line VDD and the delayed power supply potential line VDD_delay are at the H level. Therefore, NAND_OUT is at L level and OR_OUT is at L level. When OR_OUT becomes L level, the third transistor 114 in the charge accumulation circuit 103 is turned off, and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 is turned on. As a result, the potential of the accumulation node N_PRE that has risen to the H level in the period t1 varies depending on the conduction state of the second transistor 112. Specifically, if the data D1 is at the H level, the second transistor 112 is turned on, the potential of the storage node N_PRE that has risen to the H level is lowered, and the data D1 is inverted to the L level. If the data D1 is at the L level, the second transistor 112 is turned off, the potential of the storage node N_PRE that has risen to the H level is held, and the data D1 becomes the inverted H level. That is, the storage node N_PRE becomes inverted data D1_B obtained by inverting the data D1. An output signal output through the inverter circuit 106 is D1 obtained by inverting the inverted data D1_B.

次いで電源電圧を停止する際の動作及び電源電圧停止時のデータDの保持を行う、図3中の電源電圧停止期間T_OFFの動作について説明する。電源停止期間T_OFFでは、データD及びクロック信号CLKをLレベルにして記憶ノードD_HOLDに保持されたデータD4を記憶する期間(図3中、期間t3)と、期間t3で記憶ノードD_HOLDに記憶されたデータD4を保持したままで電源電圧を停止し、入出力信号を不定状態にした期間(図3中、期間t4)に分けることができる。   Next, an operation for stopping the power supply voltage and an operation during the power supply voltage stop period T_OFF in FIG. 3 for holding the data D when the power supply voltage is stopped will be described. In the power supply stop period T_OFF, the data D and the clock signal CLK are set to the L level to store the data D4 held in the storage node D_HOLD (period t3 in FIG. 3), and stored in the storage node D_HOLD in the period t3. It can be divided into a period (period t4 in FIG. 3) in which the power supply voltage is stopped while the data D4 is held and the input / output signal is in an indefinite state.

なお図3乃至図6での説明において、ハッチングを付した’X’の期間は入出力信号及び電源電圧の停止期間における、HレベルまたはLレベルの電源電位に基づく信号の供給は行わない不定状態の期間である。 3 to 6, in the hatched period “X”, an indeterminate state in which no signal is supplied based on the H-level or L-level power supply potential in the input / output signal and power supply voltage stop periods. Is the period.

電源電圧停止期間T_OFFの期間t3での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図5(A)に示す。 FIG. 5A is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that the semiconductor memory device 100 can take in the power supply voltage stop period T_OFF period t3 are visualized by dotted arrows.

期間t3ではクロック信号CLK及びデータDはLレベルであり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が非導通状態となる。そのためデータ入力線DがLレベルであっても、記憶ノードD_HOLDには前の期間に書き込まれたデータD4が保持される。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD4の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t3, the clock signal CLK and the data D are at an L level, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is turned off. Therefore, even when the data input line D is at the L level, the data D4 written in the previous period is held in the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D4, and “ON / OFF” is shown in the drawing.

また期間t3では第1の電源電位線VDD及び遅延電源電位線VDD_delayがHレベルである。したがって、NAND_OUTはLレベルとなり、OR_OUTはLレベルとなる。OR_OUTがLレベルになると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114が非導通状態となり、データ検出回路104における第4のトランジスタ115が導通状態となる。その結果、直前の期間でHレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が、第2のトランジスタ112の導通状態に応じて変動することとなる。具体的にはデータD4がHレベルであれば第2のトランジスタ112が導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が下降し、データD4が反転したLレベルとなる。またデータD4がLレベルであれば第2のトランジスタ112が非導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が保持され、データD4が反転したHレベルとなる。すなわち蓄積ノードN_PREは、データD4が反転した反転データD4_Bとなる。そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号は、反転データD4_Bを反転したデータD4となる。 In the period t3, the first power supply potential line VDD and the delayed power supply potential line VDD_delay are at the H level. Therefore, NAND_OUT is at L level and OR_OUT is at L level. When OR_OUT becomes L level, the third transistor 114 in the charge accumulation circuit 103 is turned off, and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 is turned on. As a result, the potential of the storage node N_PRE that has risen to the H level in the immediately preceding period varies according to the conduction state of the second transistor 112. Specifically, if the data D4 is at the H level, the second transistor 112 is turned on, the potential of the storage node N_PRE that has increased to the H level is decreased, and the data D4 is inverted to the L level. If the data D4 is at the L level, the second transistor 112 is turned off, the potential of the storage node N_PRE that has been raised to the H level is held, and the data D4 is inverted to the H level. That is, the storage node N_PRE becomes inverted data D4_B obtained by inverting the data D4. An output signal output through the inverter circuit 106 is data D4 obtained by inverting the inverted data D4_B.

電源電圧停止期間T_OFFの期間t4での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図5(B)に示す。 FIG. 5B is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that the semiconductor memory device 100 can take during the power supply voltage stop period T_OFF period t4 are visualized by dotted arrows.

期間t4ではクロック信号CLKはLレベル、データDは不定状態であり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が非導通状態となる。そのため、記憶ノードD_HOLDには前の期間に書き込まれたデータD4が保持し続ける。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD4の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t4, the clock signal CLK is at an L level, the data D is in an indefinite state, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is in a non-conduction state. Therefore, the data D4 written in the previous period continues to be held in the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D4, and “ON / OFF” is shown in the drawing.

また期間t4では第1の電源電位線VDD及び遅延電源電位線VDD_delayが不定状態である。したがってNAND回路116及びOR回路117の出力が不定状態となる。そのため、NAND_OUT及びOR_OUTは不定状態となる。OR_OUTが不定状態になると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114及びデータ検出回路104における第4のトランジスタ115の導通状態が不定状態となる。そのため、蓄積ノードN_PREの電位も不定状態となり、そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号も、不定状態となる。 In the period t4, the first power supply potential line VDD and the delayed power supply potential line VDD_delay are in an indefinite state. Therefore, the outputs of the NAND circuit 116 and the OR circuit 117 are indefinite. Therefore, NAND_OUT and OR_OUT are in an indefinite state. When OR_OUT becomes indefinite, the conduction state of the third transistor 114 in the charge storage circuit 103 and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 becomes indefinite. Therefore, the potential of the storage node N_PRE is also in an indefinite state, and the output signal output via the inverter circuit 106 is also in an indefinite state.

次いで電源電圧を復帰し、電源電圧停止時に保持したデータDを読み出す、図3中の第2の動作期間T_ON2の動作について説明する。第2の動作期間T_ON2では、クロック信号CLKをLレベル、第1の電源電位線VDDをHレベル及び遅延電源電位線VDD_delayをLレベルにして蓄積ノードN_PREの電位をHレベルにする期間(図3中、期間t5)と、電源電圧停止時に記憶ノードD_HOLDに保持されたデータD4を出力信号Qとして出力信号線より出力する期間(図3中、期間t6)に分けることができる。   Next, the operation in the second operation period T_ON2 in FIG. 3 in which the power supply voltage is restored and the data D held when the power supply voltage is stopped will be described. In the second operation period T_ON2, the clock signal CLK is set to L level, the first power supply potential line VDD is set to H level, the delay power supply potential line VDD_delay is set to L level, and the potential of the storage node N_PRE is set to H level (FIG. 3). The period t5) can be divided into a period (period t6 in FIG. 3) in which the data D4 held in the storage node D_HOLD when the power supply voltage is stopped is output from the output signal line as the output signal Q.

第2の動作期間T_ON2の期間t5での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図6(A)に示す。 FIG. 6A is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that can be taken by the semiconductor memory device 100 in the period t5 of the second operation period T_ON2 are visualized by dotted arrows.

期間t5ではクロック信号CLK及びデータDはLレベルであり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が非導通状態となる。そのためデータ入力線DがLレベルであっても、記憶ノードD_HOLDには電源電圧停止時の直前に書き込まれたデータD4が保持されている。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD4の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t5, the clock signal CLK and the data D are at an L level, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is turned off. Therefore, even when the data input line D is at the L level, the data D4 written immediately before the power supply voltage is stopped is held in the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D4, and “ON / OFF” is shown in the drawing.

また期間t5では第1の電源電位線VDDがHレベル、及び遅延電源電位線VDD_delayがLレベルである。したがって、NAND_OUTはHレベルとなり、OR_OUTはHレベルとなる。OR_OUTがHレベルになると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114が導通状態となり、データ検出回路104における第4のトランジスタ115が非導通状態となる。その結果、蓄積ノードN_PREの電位が電荷蓄積回路103による電荷蓄積に伴いHレベルに上昇する。そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号はLレベルとなる。 In the period t5, the first power supply potential line VDD is at the H level and the delay power supply potential line VDD_delay is at the L level. Therefore, NAND_OUT becomes H level and OR_OUT becomes H level. When OR_OUT becomes H level, the third transistor 114 in the charge accumulation circuit 103 is turned on, and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 is turned off. As a result, the potential of the storage node N_PRE rises to the H level as the charge storage circuit 103 stores the charge. The output signal output via the inverter circuit 106 is at L level.

第2の動作期間T_ON2の期間t6での半導体記憶装置100が取り得るトランジスタの導通状態、及び電流の流れを点線矢印で可視化した図を図6(B)に示す。 FIG. 6B is a diagram in which the transistor conduction state and the current flow that can be taken by the semiconductor memory device 100 in the period t6 of the second operation period T_ON2 are visualized by dotted arrows.

期間t6ではクロック信号CLKはLレベルであり、記憶回路101の第1のトランジスタ111が非導通状態となる。そのためデータ入力線DがデータD5であっても、記憶ノードD_HOLDには電源電圧停止時の直前に書き込まれたデータD4が保持されている。このとき第2のトランジスタ112の導通状態はデータD4の論理状態によるものとなり、図中では「ON/OFF」を示している。 In the period t6, the clock signal CLK is at an L level, and the first transistor 111 in the memory circuit 101 is turned off. Therefore, even when the data input line D is data D5, the data D4 written immediately before the power supply voltage is stopped is held in the storage node D_HOLD. At this time, the conduction state of the second transistor 112 depends on the logic state of the data D4, and “ON / OFF” is shown in the drawing.

また期間t6では第1の電源電位線VDD及び遅延電源電位線VDD_delayがHレベルである。したがって、NAND_OUTはLレベルとなり、OR_OUTはLレベルとなる。OR_OUTがLレベルになると、電荷蓄積回路103における第3のトランジスタ114が非導通状態となり、データ検出回路104における第4のトランジスタ115が導通状態となる。その結果、期間t5でHレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が、第2のトランジスタ112の導通状態に応じて変動することとなる。具体的にはデータD4がHレベルであれば第2のトランジスタ112が導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が下降し、データD4が反転したLレベルとなる。またデータD4がLレベルであれば第2のトランジスタ112が非導通状態となり、Hレベルに上昇した蓄積ノードN_PREの電位が保持され、データD4が反転したHレベルとなる。すなわち蓄積ノードN_PREは、データD4が反転した反転データD4_Bとなる。そしてインバータ回路106を介して出力される出力信号は、反転データD4_Bを反転したデータD4となる。 In the period t6, the first power supply potential line VDD and the delayed power supply potential line VDD_delay are at the H level. Therefore, NAND_OUT is at L level and OR_OUT is at L level. When OR_OUT becomes L level, the third transistor 114 in the charge accumulation circuit 103 is turned off, and the fourth transistor 115 in the data detection circuit 104 is turned on. As a result, the potential of the accumulation node N_PRE that has risen to the H level in the period t5 varies depending on the conduction state of the second transistor 112. Specifically, if the data D4 is at the H level, the second transistor 112 is turned on, the potential of the storage node N_PRE that has increased to the H level is decreased, and the data D4 is inverted to the L level. If the data D4 is at the L level, the second transistor 112 is turned off, the potential of the storage node N_PRE that has been raised to the H level is held, and the data D4 is inverted to the H level. That is, the storage node N_PRE becomes inverted data D4_B obtained by inverting the data D4. An output signal output through the inverter circuit 106 is data D4 obtained by inverting the inverted data D4_B.

以上が、半導体記憶装置100の動作の説明である。   The above is the description of the operation of the semiconductor memory device 100.

本発明の一形態である半導体記憶装置では、揮発性の記憶装置と不揮発性の記憶装置とを分割して動作することなく、電源電圧の供給を停止する前及び電源電圧の供給を復帰した後での、データの保持及び読み出しをすることができる。またデータの書き込み及びデータの読み出しのための制御信号を必要とすることなく前述のデータの保持及び読み出しができ、半導体記憶装置を制御するための信号数を削減することができる。   In the semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention, before the supply of the power supply voltage is stopped and after the supply of the power supply voltage is restored, the volatile storage device and the nonvolatile storage device are not operated separately. It is possible to hold and read data. Further, the aforementioned data can be held and read without requiring control signals for data writing and data reading, and the number of signals for controlling the semiconductor memory device can be reduced.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示した半導体記憶装置100を複数用いる構成について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a structure in which a plurality of semiconductor memory devices 100 described in Embodiment 1 are used will be described.

図7に、本実施の形態における半導体記憶装置の構成を一例として示す。図7に示す半導体記憶装置は、高電源電位VDD及び低電源電位VSSに接続されたインバータ回路401と、半導体記憶装置402を複数有する半導体記憶装置群403と、遅延高電源電位生成回路404とを有している。   FIG. 7 shows an example of the structure of the semiconductor memory device in this embodiment. The semiconductor memory device illustrated in FIG. 7 includes an inverter circuit 401 connected to a high power supply potential VDD and a low power supply potential VSS, a semiconductor memory device group 403 including a plurality of semiconductor memory devices 402, and a delayed high power supply potential generation circuit 404. Have.

各半導体記憶装置402には、実施の形態1に記載されている構成を有する半導体記憶装置100を用いることができる。 As each semiconductor memory device 402, the semiconductor memory device 100 having the structure described in Embodiment 1 can be used.

半導体記憶装置群403が有する各半導体記憶装置402には、インバータ回路401を介して、高電源電位VDDと低電源電位VSSとを選択信号SigAにより切り替えて印加する。 A high power supply potential VDD and a low power supply potential VSS are switched and applied to each semiconductor memory device 402 included in the semiconductor memory device group 403 by a selection signal SigA via an inverter circuit 401.

また半導体記憶装置群403が有する各半導体記憶装置402には、図2で示した信号VDD_delayを生成するための遅延高電源電位生成回路404にそれぞれ接続されている。 Each semiconductor memory device 402 included in the semiconductor memory device group 403 is connected to the delayed high power supply potential generation circuit 404 for generating the signal VDD_delay shown in FIG.

更に、半導体記憶装置群403が有する各半導体記憶装置402には、信号INの電位と、低電源電位VSSが与えられている。 Further, each semiconductor memory device 402 included in the semiconductor memory device group 403 is supplied with the potential of the signal IN and the low power supply potential VSS.

以上のような構成により、複数の半導体記憶装置100に高電源電位VDD及び当該高電源電位VDDが遅延した信号である信号VDD_delayを供給することができる。 With the above configuration, the high power supply potential VDD and the signal VDD_delay that is a signal obtained by delaying the high power supply potential VDD can be supplied to the plurality of semiconductor memory devices 100.

本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。   This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1で示した半導体記憶装置を用いた信号処理装置の構成について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a structure of a signal processing device using the semiconductor memory device described in Embodiment 1 is described.

図8に、本発明の一態様に係る信号処理装置の一例を示す。信号処理装置は、一または複数の演算装置と、一または複数の半導体記憶装置とを少なくとも有する。具体的に、図8に示す信号処理装置150は、演算装置151、演算装置152、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155、制御装置156、電源制御回路157を有する。   FIG. 8 illustrates an example of a signal processing device according to one embodiment of the present invention. The signal processing device includes at least one or more arithmetic devices and one or more semiconductor memory devices. Specifically, the signal processing device 150 illustrated in FIG. 8 includes an arithmetic device 151, an arithmetic device 152, a semiconductor memory device 153, a semiconductor memory device 154, a semiconductor memory device 155, a control device 156, and a power supply control circuit 157.

演算装置151、演算装置152は、単純な論理演算を行う論理回路をはじめ、加算器、乗算器、更には各種演算装置などを含む。そして、半導体記憶装置153は、演算装置151における演算処理の際に、データ信号を一時的に保持するレジスタとして機能する。半導体記憶装置154は、演算装置152における演算処理の際に、データ信号を一時的に保持するレジスタとして機能する。   The arithmetic device 151 and the arithmetic device 152 include a logic circuit that performs a simple logical operation, an adder, a multiplier, and various arithmetic devices. The semiconductor memory device 153 functions as a register that temporarily holds a data signal during arithmetic processing in the arithmetic device 151. The semiconductor memory device 154 functions as a register that temporarily holds a data signal during arithmetic processing in the arithmetic device 152.

また、半導体記憶装置155はメインメモリとして用いることができ、制御装置156が実行するプログラムをデータ信号として記憶する、或いは演算装置151、演算装置152からのデータ信号を記憶することができる。   The semiconductor memory device 155 can be used as a main memory, and can store a program executed by the control device 156 as a data signal, or can store a data signal from the arithmetic device 151 and the arithmetic device 152.

制御装置156は、信号処理装置150が有する演算装置151、演算装置152、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155の動作を統括的に制御する回路である。なお、図8では、制御装置156が信号処理装置150の一部である構成を示しているが、制御装置156は信号処理装置150の外部に設けられていても良い。   The control device 156 is a circuit that comprehensively controls the operations of the arithmetic device 151, the arithmetic device 152, the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, and the semiconductor memory device 155 included in the signal processing device 150. 8 illustrates a configuration in which the control device 156 is a part of the signal processing device 150, the control device 156 may be provided outside the signal processing device 150.

実施の形態1で示した半導体記憶装置を半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155に用いることで、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155への電源電圧の供給を停止しても、制御する信号数を増加させることなく、データ信号を保持することができる。よって、信号処理装置150全体への電源電圧の供給を停止し、消費電力を抑えることができる。或いは、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、または半導体記憶装置155のいずれか一つまたは複数への電源電圧の供給を停止し、信号処理装置150の消費電力を抑えることができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。   By using the semiconductor memory device described in Embodiment 1 for the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, and the semiconductor memory device 155, supply of power supply voltage to the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, and the semiconductor memory device 155 Even if the operation is stopped, the data signal can be held without increasing the number of signals to be controlled. Therefore, supply of power supply voltage to the entire signal processing device 150 can be stopped and power consumption can be suppressed. Alternatively, supply of power supply voltage to any one or more of the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, and the semiconductor memory device 155 can be stopped to reduce power consumption of the signal processing device 150. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the power supply stop can be restored in a short time.

また、半導体記憶装置への電源電圧の供給が停止されるのに合わせて、当該半導体記憶装置とデータ信号のやり取りを行う演算装置または制御回路への、電源電圧の供給を停止するようにしても良い。例えば、演算装置151と半導体記憶装置153において、動作が行われない場合、演算装置151及び半導体記憶装置153への電源電圧の供給を停止するようにしても良い。   Further, as the supply of the power supply voltage to the semiconductor memory device is stopped, the supply of the power supply voltage to the arithmetic unit or the control circuit that exchanges data signals with the semiconductor memory device is stopped. good. For example, when no operation is performed in the arithmetic device 151 and the semiconductor memory device 153, the supply of power supply voltage to the arithmetic device 151 and the semiconductor memory device 153 may be stopped.

また、電源制御回路157は、信号処理装置150が有する演算装置151、演算装置152、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155、制御装置156へ供給する電源電圧の大きさを制御する。そして、電源電圧の供給を停止する場合、電源電圧の供給の停止は、電源制御回路157で行われる構成でも良いし、演算装置151、演算装置152、半導体記憶装置153、半導体記憶装置154、半導体記憶装置155、制御装置156のそれぞれで行われる構成でも良い。   The power supply control circuit 157 controls the magnitude of the power supply voltage supplied to the arithmetic device 151, the arithmetic device 152, the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, the semiconductor memory device 155, and the control device 156 included in the signal processing device 150. To do. When the supply of the power supply voltage is stopped, the supply of the power supply voltage may be stopped by the power supply control circuit 157, or the arithmetic device 151, the arithmetic device 152, the semiconductor memory device 153, the semiconductor memory device 154, and the semiconductor A configuration performed in each of the storage device 155 and the control device 156 may be used.

なお、メインメモリである半導体記憶装置155と、演算装置151、演算装置152、制御装置156の間に、キャッシュメモリとして機能する半導体記憶装置を設けても良い。キャッシュメモリを設けることで、メインメモリへのアクセスを減らして演算処理などの信号処理を高速化させることができる。キャッシュメモリとして機能する半導体記憶装置にも、上述した半導体記憶装置を用いることで、制御する信号数を増加させることなく、信号処理装置150の消費電力を抑えることができる。   Note that a semiconductor memory device that functions as a cache memory may be provided between the semiconductor memory device 155 that is a main memory and the arithmetic device 151, the arithmetic device 152, and the control device 156. By providing the cache memory, it is possible to reduce the access to the main memory and speed up signal processing such as arithmetic processing. By using the above-described semiconductor memory device also for the semiconductor memory device functioning as a cache memory, the power consumption of the signal processing device 150 can be suppressed without increasing the number of signals to be controlled.

本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。   This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る信号処理装置の一つである、CPUの構成について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a structure of a CPU which is one of signal processing devices according to one embodiment of the present invention will be described.

図9に、本実施の形態のCPUの構成を示す。図9に示すCPUは、基板9900上に、ALU9901、ALU・Controller9902、Instruction・Decoder9903、Interrupt・Controller9904、Timing・Controller9905、Register9906、Register・Controller9907、Bus・I/F9908、書き換え可能なROM9909、ROM・I/F9920と、を主に有している。なお、ALUはArithmetic logic unitであり、Bus・I/Fはバスインターフェースであり、ROM・I/FはROMインターフェースである。ROM9909及びROM・I/F9920は、別チップに設けても良い。勿論、図9に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。   FIG. 9 shows the configuration of the CPU of this embodiment. The CPUs shown in FIG. / F9920. The ALU is an Arithmetic logic unit, the Bus / I / F is a bus interface, and the ROM / I / F is a ROM interface. The ROM 9909 and the ROM • I / F9920 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 9 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application.

Bus・I/F9908を介してCPUに入力された命令は、Instruction・Decoder9903に入力され、デコードされた後、ALU・Controller9902、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907、Timing・Controller9905に入力される。   Instructions input to the CPU via the Bus I / F 9908 are input to the Instruction Decoder 9903 and decoded, and then input to the ALU Controller 9902, the Interrupt Controller 9904, the Register Controller 9907, and the Timing Controller 0505.

ALU・Controller9902、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907、Timing・Controller9905は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALU・Controller9902は、ALU9901の動作を制御するための信号を生成する。また、Interrupt・Controller9904は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。Register・Controller9907は、Register9906のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてRegister9906の読み出しや書き込みを行なう。   The ALU / Controller 9902, the Interrupt / Controller 9904, the Register / Controller 9907, and the Timing / Controller 9905 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU / Controller 9902 generates a signal for controlling the operation of the ALU 9901. The Interrupt Controller 9904 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The Register Controller 9907 generates an address of the Register 9906, and reads and writes the Register 9906 according to the state of the CPU.

またTiming・Controller9905は、ALU9901、ALU・Controller9902、Instruction・Decoder9903、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばTiming・Controller9905は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号CLK2を上記各種回路に入力する。   The Timing Controller 9905 generates signals that control the operation timings of the ALU 9901, ALU Controller 9902, Instruction Decoder 9903, Interrupt Controller 9904, and Register Controller 9907. For example, the Timing Controller 9905 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and inputs the clock signal CLK2 to the various circuits.

本実施の形態のCPUでは、Register9906に、上記実施の形態で示した構成を有する半導体記憶装置が設けられている。Register・Controller9907は、ALU9901からの指示に従い、Register9906が有する半導体記憶装置において、制御する信号数を増加させることなく、電源電圧の供給を停止することができる。   In the CPU of this embodiment, the register 9906 is provided with a semiconductor memory device having the structure described in the above embodiment. The Register Controller 9907 can stop the supply of power supply voltage without increasing the number of signals to be controlled in the semiconductor memory device included in the Register 9906 in accordance with an instruction from the ALU 9901.

この様にして、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータ信号を保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUを停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。   In this manner, even when the operation of the CPU is temporarily stopped and the supply of the power supply voltage is stopped, the data signal can be held and power consumption can be reduced. Specifically, for example, the CPU can be stopped while the user of the personal computer stops inputting information to an input device such as a keyboard, thereby reducing power consumption.

本実施の形態では、CPUを例に挙げて説明したが、本発明の信号処理装置はCPUに限定されず、マイクロプロセッサ、画像処理回路、DSP、FPGA等のLSIにも応用可能である。   In this embodiment, the CPU has been described as an example. However, the signal processing device of the present invention is not limited to the CPU, and can be applied to LSIs such as a microprocessor, an image processing circuit, a DSP, and an FPGA.

本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。   This embodiment can be implemented in combination with the above embodiment.

(実施の形態5)
図1(B)に示した記憶回路101において、チャネルがシリコンに形成される場合における第2のトランジスタ112と、チャネルが酸化物半導体層に形成される第1のトランジスタ111と、第1の容量素子113とを例に挙げて、半導体記憶装置100の作製方法について説明する。
(Embodiment 5)
In the memory circuit 101 illustrated in FIG. 1B, the second transistor 112 in the case where the channel is formed in silicon, the first transistor 111 in which the channel is formed in the oxide semiconductor layer, and the first capacitor A method for manufacturing the semiconductor memory device 100 is described using the element 113 as an example.

図10(A)に示すように、基板700上に絶縁膜701と、単結晶の半導体基板から分離された半導体膜702とを形成する。   As shown in FIG. 10A, an insulating film 701 and a semiconductor film 702 separated from a single crystal semiconductor substrate are formed over a substrate 700.

基板700として使用することができる素材に大きな制限はないが、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板700には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。   There is no particular limitation on a material that can be used as the substrate 700 as long as it has heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, as the substrate 700, a glass substrate, a quartz substrate, a semiconductor substrate, a ceramic substrate, or the like manufactured by a fusion method or a float method can be used. As the glass substrate, a glass substrate having a strain point of 730 ° C. or higher is preferably used when the temperature of the subsequent heat treatment is high.

また、本実施の形態では、半導体膜702が単結晶のシリコンである場合を例に挙げて、以下、第2のトランジスタ112の作製方法について説明する。なお、具体的な単結晶の半導体膜702の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半導体基板であるボンド基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、ボンド基板の表面から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって調節することができる。そして、ボンド基板と、絶縁膜701が形成された基板700とを、間に当該絶縁膜701が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせは、ボンド基板と基板700とを重ね合わせた後、ボンド基板と基板700の一部に、1N/cm以上500N/cm以下、好ましくは11N/cm以上20N/cm以下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分からボンド基板と絶縁膜701とが接合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、脆化層においてボンド基板の一部である単結晶半導体膜が、ボンド基板から分離する。上記加熱処理の温度は、基板700の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、半導体膜702を形成することができる。 In this embodiment, a method for manufacturing the second transistor 112 will be described below by using an example in which the semiconductor film 702 is single crystal silicon. Note that a specific example of a method for manufacturing the single crystal semiconductor film 702 is briefly described. First, an ion beam made of ions accelerated by an electric field is injected into a bond substrate, which is a single-crystal semiconductor substrate, and the crystal structure is disturbed locally from the surface of the bond substrate to a region at a certain depth. An embrittled layer that is weakened is formed. The depth of the region where the embrittlement layer is formed can be adjusted by the acceleration energy of the ion beam and the incident angle of the ion beam. Then, the bond substrate and the substrate 700 over which the insulating film 701 is formed are attached to each other so that the insulating film 701 is sandwiched therebetween. In the bonding, after the bond substrate and the substrate 700 are overlapped, a part of the bond substrate and the substrate 700 is 1 N / cm 2 or more and 500 N / cm 2 or less, preferably 11 N / cm 2 or more and 20 N / cm 2 or less. Apply pressure. When pressure is applied, the bond substrate and the insulating film 701 start bonding from that portion, and finally, the bonding reaches the entire adhered surface. Next, by performing heat treatment, the microvoids existing in the embrittled layer are combined with each other, and the volume of the microvoids is increased. As a result, the single crystal semiconductor film which is part of the bond substrate in the embrittlement layer is separated from the bond substrate. The temperature of the heat treatment is set so as not to exceed the strain point of the substrate 700. Then, the semiconductor film 702 can be formed by processing the single crystal semiconductor film into a desired shape by etching or the like.

半導体膜702には、閾値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのp型の導電性を付与する不純物元素、若しくはリン、砒素などのn型の導電性を付与する不純物元素を添加しても良い。閾値電圧を制御するための不純物元素の添加は、パターニングする前の半導体膜に対して行っても良いし、パターニング後に形成された半導体膜702に対して行っても良い。また、閾値電圧を制御するための不純物元素の添加を、ボンド基板に対して行っても良い。若しくは、不純物元素の添加を、閾値電圧を大まかに調整するためにボンド基板に対して行った上で、閾値電圧を微調整するために、パターニング前の半導体膜に対して、またはパターニングにより形成された半導体膜702に対しても行っても良い。   In order to control the threshold voltage, an impurity element imparting p-type conductivity such as boron, aluminum, or gallium or an impurity element imparting n-type conductivity such as phosphorus or arsenic is added to the semiconductor film 702 You may do it. The addition of the impurity element for controlling the threshold voltage may be performed on the semiconductor film before patterning or may be performed on the semiconductor film 702 formed after patterning. Further, an impurity element for controlling the threshold voltage may be added to the bond substrate. Alternatively, the impurity element is added to the bond substrate in order to roughly adjust the threshold voltage, and then to the semiconductor film before patterning or by patterning in order to finely adjust the threshold voltage. This may also be performed for the semiconductor film 702.

なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いる例について説明しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、絶縁膜701上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶、非晶質の半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の結晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもできる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結晶化方法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、950℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。   Note that although an example in which a single crystal semiconductor film is used is described in this embodiment, the present invention is not limited to this structure. For example, a polycrystalline, microcrystalline, or amorphous semiconductor film formed over the insulating film 701 by using a vapor deposition method may be used, or the semiconductor film may be crystallized by a known technique. Known crystallization methods include a laser crystallization method using laser light and a crystallization method using a catalytic element. Alternatively, a crystallization method using a catalytic element and a laser crystallization method can be used in combination. In addition, when using a substrate having excellent heat resistance such as quartz, a thermal crystallization method using an electric furnace, a lamp annealing crystallization method using infrared light, a crystallization method using a catalytic element, about 950 ° C. Alternatively, a crystallization method combining the high temperature annealing method may be used.

次に、図10(B)に示すように、半導体膜702上にゲート絶縁膜703を形成した後、ゲート絶縁膜703上にマスク705を形成し、導電性を付与する不純物元素を半導体膜702の一部に添加することで、不純物領域704を形成する。   Next, as illustrated in FIG. 10B, after a gate insulating film 703 is formed over the semiconductor film 702, a mask 705 is formed over the gate insulating film 703, and an impurity element imparting conductivity is added to the semiconductor film 702. By adding to a part of the impurity region, the impurity region 704 is formed.

ゲート絶縁膜703は、高密度プラズマ処理、熱処理などを行うことにより半導体膜702の表面を酸化または窒化することで形成することができる。高密度プラズマ処理は、例えばHe、Ar、Kr、Xeなどの希ガスと酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などの混合ガスとを用いて行う。この場合、プラズマの励起をマイクロ波の導入により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)や窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体膜の表面を酸化または窒化することにより、1〜20nm、望ましくは5〜10nmの絶縁膜が半導体膜に接するように形成できる。例えば、亜酸化窒素(NO)をArで1〜3倍(流量比)に希釈して、10〜30Paの圧力にて3〜5kWのマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して半導体膜702の表面を酸化若しくは窒化させる。この処理により1nm〜10nm(好ましくは2nm〜6nm)の絶縁膜を形成する。更に亜酸化窒素(NO)とシラン(SiH)を導入し、10〜30Paの圧力にて3〜5kWのマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して気相成長法により酸化窒化珪素膜を形成してゲート絶縁膜を形成する。固相反応と気相成長法による反応を組み合わせることにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁膜を形成することができる。 The gate insulating film 703 can be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor film 702 by performing high-density plasma treatment, heat treatment, or the like. The high-density plasma treatment is performed using, for example, a rare gas such as He, Ar, Kr, or Xe and a mixed gas such as oxygen, nitrogen oxide, ammonia, nitrogen, or hydrogen. In this case, high-density plasma can be generated at a low electron temperature by exciting the plasma by introducing a microwave. By oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor film with oxygen radicals (which may include OH radicals) or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by such high-density plasma, An insulating film having a thickness of 20 nm, preferably 5 to 10 nm can be formed in contact with the semiconductor film. For example, nitrous oxide (N 2 O) is diluted 1 to 3 times (flow rate ratio) with Ar, and 3 to 5 kW microwave (2.45 GHz) power is applied at a pressure of 10 to 30 Pa to apply a semiconductor. The surface of the film 702 is oxidized or nitrided. By this treatment, an insulating film having a thickness of 1 nm to 10 nm (preferably 2 nm to 6 nm) is formed. Further, nitrous oxide (N 2 O) and silane (SiH 4 ) are introduced, and 3-5 kW microwave (2.45 GHz) power is applied at a pressure of 10-30 Pa, and silicon oxynitride is formed by vapor phase growth. A film is formed to form a gate insulating film. A gate insulating film having a low interface state density and an excellent withstand voltage can be formed by combining a solid phase reaction and a reaction by a vapor deposition method.

上述した高密度プラズマ処理による半導体膜の酸化または窒化は固相反応で進むため、ゲート絶縁膜703と半導体膜702との界面準位密度を極めて低くすることができる。また高密度プラズマ処理により半導体膜702を直接酸化または窒化することで、形成される絶縁膜の厚さのばらつきを抑えることができる。また半導体膜が結晶性を有する場合、高密度プラズマ処理を用いて半導体膜の表面を固相反応で酸化させることにより、結晶粒界においてのみ酸化が速く進んでしまうのを抑え、均一性が良く、界面準位密度の低いゲート絶縁膜を形成することができる。高密度プラズマ処理により形成された絶縁膜を、ゲート絶縁膜の一部または全部に含んで形成されるトランジスタは、特性のばらつきを抑えることができる。   Since the oxidation or nitridation of the semiconductor film by the high-density plasma treatment described above proceeds by a solid phase reaction, the interface state density between the gate insulating film 703 and the semiconductor film 702 can be extremely low. Further, by directly oxidizing or nitriding the semiconductor film 702 by high-density plasma treatment, variation in the thickness of the formed insulating film can be suppressed. Also, when the semiconductor film has crystallinity, the surface of the semiconductor film is oxidized by solid phase reaction using high-density plasma treatment, so that the rapid oxidation only at the crystal grain boundary is suppressed and the uniformity is good. A gate insulating film having a low interface state density can be formed. A transistor in which an insulating film formed by high-density plasma treatment is included in part or all of a gate insulating film can suppress variation in characteristics.

また、プラズマCVD法またはスパッタリング法などを用い、酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムまたは酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))等を含む膜を、単層で、または積層させることで、ゲート絶縁膜703を形成しても良い。 Further, by using a plasma CVD method, a sputtering method, or the like, silicon oxide, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, aluminum oxide or tantalum oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate with nitrogen added (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium aluminate with nitrogen added (HfAl x O y (x> 0, y> 0) )) And the like may be a single layer or stacked to form the gate insulating film 703.

なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。   Note that in this specification, oxynitride is a substance having a higher oxygen content than nitrogen in the composition, and nitride oxide has a nitrogen content higher than oxygen in the composition. Means a substance.

ゲート絶縁膜703の厚さは、例えば、1nm以上100nm以下、好ましくは10nm以上50nm以下とすることができる。本実施の形態では、プラズマCVD法を用いて、酸化珪素を含む単層の絶縁膜を、ゲート絶縁膜703として用いる。   The thickness of the gate insulating film 703 can be, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 10 nm to 50 nm. In this embodiment, a single-layer insulating film containing silicon oxide is used as the gate insulating film 703 by a plasma CVD method.

次いで、マスク705を除去した後、図10(C)に示すように、ゲート絶縁膜703の一部を除去して、不純物領域704と重畳する領域にエッチング等により開口部706を形成した後、ゲート電極707及び導電膜708を形成する。   Next, after removing the mask 705, as shown in FIG. 10C, after removing a part of the gate insulating film 703 and forming an opening 706 in a region overlapping with the impurity region 704 by etching or the like, A gate electrode 707 and a conductive film 708 are formed.

ゲート電極707及び導電膜708は、開口部706を覆うように導電膜を形成した後、該導電膜を所定の形状に加工(パターニング)することで、形成することができる。導電膜708は、開口部706において不純物領域704と接している。上記導電膜の形成にはCVD法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。また、導電膜は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等を用いることができる。上記金属を主成分とする合金を用いても良いし、上記金属を含む化合物を用いても良い。または、半導体膜に導電性を付与するリン等の不純物元素をドーピングした、多結晶珪素などの半導体を用いて形成しても良い。   The gate electrode 707 and the conductive film 708 can be formed by forming a conductive film so as to cover the opening 706 and then processing (patterning) the conductive film into a predetermined shape. The conductive film 708 is in contact with the impurity region 704 in the opening 706. For the formation of the conductive film, a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a spin coating method, or the like can be used. As the conductive film, tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), niobium (Nb), or the like is used. it can. An alloy containing the above metal as a main component may be used, or a compound containing the above metal may be used. Alternatively, a semiconductor film such as polycrystalline silicon in which an impurity element such as phosphorus imparting conductivity is doped may be used.

なお、本実施の形態ではゲート電極707及び導電膜708を単層の導電膜で形成しているが、本実施の形態はこの構成に限定されない。ゲート電極707及び導電膜708は積層された複数の導電膜で形成されていても良い。   Note that although the gate electrode 707 and the conductive film 708 are formed using a single-layer conductive film in this embodiment, this embodiment is not limited to this structure. The gate electrode 707 and the conductive film 708 may be formed using a plurality of stacked conductive films.

2つの導電膜の組み合わせとして、1層目に窒化タンタルまたはタンタルを、2層目にタングステンを用いることができる。上記例の他に、窒化タングステンとタングステン、窒化モリブデンとモリブデン、アルミニウムとタンタル、アルミニウムとチタン等が挙げられる。タングステンや窒化タンタルは、耐熱性が高いため、2層の導電膜を形成した後の工程において、熱活性化を目的とした加熱処理を行うことができる。また、2層の導電膜の組み合わせとして、例えば、n型の導電性を付与する不純物元素がドーピングされた珪素とニッケルシリサイド、n型の導電性を付与する不純物元素がドーピングされた珪素とタングステンシリサイド等も用いることができる。   As a combination of the two conductive films, tantalum nitride or tantalum can be used for the first layer and tungsten can be used for the second layer. In addition to the above examples, tungsten nitride and tungsten, molybdenum nitride and molybdenum, aluminum and tantalum, aluminum and titanium, and the like can be given. Since tungsten and tantalum nitride have high heat resistance, heat treatment for thermal activation can be performed in the step after forming the two-layer conductive film. Further, as a combination of two conductive films, for example, silicon and nickel silicide doped with an impurity element imparting n-type conductivity, silicon and tungsten silicide doped with an impurity element imparting n-type conductivity Etc. can also be used.

3つの導電膜を積層する3層構造の場合は、モリブデン膜とアルミニウム膜とモリブデン膜の積層構造を採用するとよい。   In the case of a three-layer structure in which three conductive films are stacked, a stacked structure of a molybdenum film, an aluminum film, and a molybdenum film is preferably employed.

また、ゲート電極707及び導電膜708に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。   In addition, a light-transmitting oxide conductive film such as indium oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, zinc oxide, zinc aluminum oxide, zinc aluminum oxynitride, or zinc gallium oxide is used for the gate electrode 707 and the conductive film 708. Can also be used.

なお、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的にゲート電極707及び導電膜708を形成しても良い。液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を細孔から吐出または噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。   Note that the gate electrode 707 and the conductive film 708 may be selectively formed by a droplet discharge method without using a mask. The droplet discharge method means a method of forming a predetermined pattern by discharging or ejecting droplets containing a predetermined composition from the pores, and includes an ink jet method and the like in its category.

また、ゲート電極707及び導電膜708は、導電膜を形成後、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用い、エッチング条件(コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節することにより、所望のテーパー形状を有するようにエッチングすることができる。また、テーパー形状は、マスクの形状によっても角度等を制御することができる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素若しくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄若しくは弗化窒素などのフッ素系ガスまたは酸素を適宜用いることができる。   In addition, the gate electrode 707 and the conductive film 708 are formed by using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method after forming the conductive film, and the etching conditions (the amount of power applied to the coil-type electrode layer, the substrate side) By appropriately adjusting the amount of power applied to the electrode layer, the electrode temperature on the substrate side, and the like, etching can be performed to have a desired tapered shape. Further, the taper shape can control the angle and the like depending on the shape of the mask. As an etching gas, a chlorine-based gas such as chlorine, boron chloride, silicon chloride, or carbon tetrachloride, a fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride, sulfur fluoride, or nitrogen fluoride, or oxygen can be used as appropriate. .

スパッタ法を用いて酸化物半導体層716を作製する場合には、成膜処理室内に存在する水、水素を極力低減しておく。具体的には、成膜前に成膜処理室内を加熱する、成膜処理室内に導入されるガス中の水及び/又は水素濃度を低減する、及び成膜処理室から排気されるガスの逆流を防止するなどを行うことが好適である。 In the case where the oxide semiconductor layer 716 is formed by a sputtering method, water and hydrogen present in the deposition treatment chamber are reduced as much as possible. Specifically, the film formation chamber is heated before film formation, the water and / or hydrogen concentration in the gas introduced into the film formation chamber is reduced, and the backflow of gas exhausted from the film formation chamber is performed. It is preferable to prevent the above.

次に、図10(D)に示すように、ゲート電極707及び導電膜708をマスクとして一導電性を付与する不純物元素を半導体膜702に添加することで、ゲート電極707と重なるチャネル形成領域710と、チャネル形成領域710を間に挟む一対の不純物領域709と、不純物領域704の一部に更に不純物元素が添加された不純物領域711とが、半導体膜702に形成される。   Next, as illustrated in FIG. 10D, an impurity element imparting one conductivity is added to the semiconductor film 702 using the gate electrode 707 and the conductive film 708 as masks, so that a channel formation region 710 overlapping with the gate electrode 707 is formed. A pair of impurity regions 709 sandwiching the channel formation region 710 and an impurity region 711 in which an impurity element is further added to part of the impurity region 704 are formed in the semiconductor film 702.

本実施の形態では、半導体膜702にp型を付与する不純物元素(例えばボロン)を添加する場合を例に挙げる。   In this embodiment, the case where an impurity element imparting p-type conductivity (eg, boron) is added to the semiconductor film 702 is described as an example.

次いで、図11(A)に示すように、ゲート絶縁膜703、ゲート電極707、導電膜708を覆うように、絶縁膜712、絶縁膜713を形成する。具体的に、絶縁膜712、絶縁膜713は、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの無機の絶縁膜を用いることができる。特に、絶縁膜712、絶縁膜713に誘電率の低い(low−k)材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能になるため好ましい。なお、絶縁膜712、絶縁膜713に、上記材料を用いた多孔性の絶縁膜を適用しても良い。多孔性の絶縁膜では、密度の高い絶縁膜と比較して誘電率が低下するため、電極や配線に起因する寄生容量を更に低減することが可能である。   Next, as illustrated in FIG. 11A, an insulating film 712 and an insulating film 713 are formed so as to cover the gate insulating film 703, the gate electrode 707, and the conductive film 708. Specifically, the insulating films 712 and 713 can be formed using an inorganic insulating film such as silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide. In particular, it is preferable to use a low dielectric constant (low-k) material for the insulating films 712 and 713 because capacitance due to overlapping of various electrodes and wirings can be sufficiently reduced. Note that a porous insulating film using any of the above materials may be used for the insulating films 712 and 713. A porous insulating film has a lower dielectric constant than a high-density insulating film, so that parasitic capacitance caused by electrodes and wirings can be further reduced.

本実施の形態では、絶縁膜712として酸化窒化珪素、絶縁膜713として窒化酸化珪素を用いる場合を例に挙げる。また、本実施の形態では、ゲート電極707及び導電膜708上に絶縁膜712、絶縁膜713を形成している場合を例示しているが、本発明はゲート電極707及び導電膜708上に絶縁膜を1層だけ形成していても良いし、3層以上の複数の絶縁膜を積層するように形成していても良い。   In this embodiment, the case where silicon oxynitride is used for the insulating film 712 and silicon nitride oxide is used for the insulating film 713 is described as an example. Further, although the case where the insulating film 712 and the insulating film 713 are formed over the gate electrode 707 and the conductive film 708 is illustrated in this embodiment, the present invention is insulated over the gate electrode 707 and the conductive film 708. Only one layer may be formed, or a plurality of three or more insulating films may be stacked.

次いで、図11(B)に示すように、絶縁膜712及び絶縁膜713にCMP(化学的機械研磨)処理やエッチング処理を行うことにより、ゲート電極707及び導電膜708の表面を露出させる。なお、後に形成される第1のトランジスタ111の特性を向上させるために、絶縁膜712、絶縁膜713の表面は可能な限り平坦にしておくことが好ましい。   Next, as illustrated in FIG. 11B, the surfaces of the gate electrode 707 and the conductive film 708 are exposed by performing CMP (Chemical Mechanical Polishing) treatment or etching treatment on the insulating film 712 and the insulating film 713. Note that the surfaces of the insulating film 712 and the insulating film 713 are preferably as flat as possible in order to improve characteristics of the first transistor 111 to be formed later.

以上の工程により、第2のトランジスタ112を形成することができる。   Through the above steps, the second transistor 112 can be formed.

次いで、第1のトランジスタ111の作製方法について説明する。まず、図11(C)に示すように、絶縁膜712または絶縁膜713上に酸化物半導体層716を形成する。   Next, a method for manufacturing the first transistor 111 is described. First, as illustrated in FIG. 11C, the oxide semiconductor layer 716 is formed over the insulating film 712 or the insulating film 713.

酸化物半導体層716は、絶縁膜712及び絶縁膜713上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。上記酸化物半導体膜の膜厚は、2nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下、更に好ましくは3nm以上20nm以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(例えばアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス(例えばアルゴン)及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。   The oxide semiconductor layer 716 can be formed by processing an oxide semiconductor film formed over the insulating film 712 and the insulating film 713 into a desired shape. The thickness of the oxide semiconductor film is 2 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 50 nm, more preferably 3 nm to 20 nm. The oxide semiconductor film is formed by a sputtering method using an oxide semiconductor as a target. The oxide semiconductor film can be formed by a sputtering method in a rare gas (eg, argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas (eg, argon) and oxygen mixed atmosphere.

なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁膜712及び絶縁膜713の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。   Note that before the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed to remove dust attached to the surfaces of the insulating films 712 and 713. Is preferred. Reverse sputtering is a method of modifying the surface by forming a plasma near the substrate by applying a voltage using an RF power source on the substrate side in an argon atmosphere without applying a voltage to the target side. Note that nitrogen, helium, or the like may be used instead of the argon atmosphere. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which oxygen, nitrous oxide, or the like is added. Alternatively, the reaction may be performed in an atmosphere in which chlorine, carbon tetrafluoride, or the like is added to an argon atmosphere.

酸化物半導体膜には、上述したような、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Al−Zn−O系酸化物半導体、Hf−In−Zn−O系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系酸化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体、In−Ga−O系酸化物半導体や、一元系金属酸化物であるIn−O系酸化物半導体、Sn−O系酸化物半導体、Zn−O系酸化物半導体などを用いることができる。   As described above, the oxide semiconductor film includes an In—Sn—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor that is a quaternary metal oxide or an In—Ga—Zn—O that is a ternary metal oxide. Oxide semiconductor, In—Sn—Zn—O oxide semiconductor, In—Al—Zn—O oxide semiconductor, Sn—Ga—Zn—O oxide semiconductor, Al—Ga—Zn—O oxide Oxide semiconductor, Sn—Al—Zn—O-based oxide semiconductor, Hf—In—Zn—O-based oxide semiconductor, In—Zn—O-based oxide semiconductor that is a binary metal oxide, Sn—Zn— O-based oxide semiconductor, Al-Zn-O-based oxide semiconductor, Zn-Mg-O-based oxide semiconductor, Sn-Mg-O-based oxide semiconductor, In-Mg-O-based oxide semiconductor, In-Ga- O-based oxide semiconductors, In-O based oxide semiconductors that are unitary metal oxides, Sn-O Oxide semiconductor, or the like can be used Zn-O-based oxide semiconductor.

なお酸化物半導体膜として特にIn−Sn−Zn−O系酸化物半導体を用いる場合、トランジスタの移動度を高くすることができる。またIn−Sn−Zn−O系酸化物半導体を用いる場合、トランジスタのしきい値電圧を安定して制御することが可能である。なおIn−Sn−Zn−O系酸化物半導体を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、In:Sn:Zn=1:2:2、In:Sn:Zn=2:1:3、In:Sn:Zn=1:1:1などとすればよい。 Note that when an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor is used as the oxide semiconductor film, the mobility of the transistor can be increased. In the case where an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor is used, the threshold voltage of the transistor can be stably controlled. Note that in the case where an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor is used, the composition ratio of the target to be used is an atomic ratio, In: Sn: Zn = 1: 2: 2, In: Sn: Zn = 2: 1: 3. In: Sn: Zn = 1: 1: 1 may be used.

本実施の形態では、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、及びZn(亜鉛)を含むターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚30nmのIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属の組成比がIn:Ga:Zn=1:1:0.5、In:Ga:Zn=1:1:1、またはIn:Ga:Zn=1:1:2であるターゲットを用いることができる。また、In、Ga、及びZnを含むターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上100%未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。   In this embodiment, a 30-nm-thick In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor thin film obtained by a sputtering method using a target containing In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) is used. Used as an oxide semiconductor film. As the target, for example, the composition ratio of each metal is In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, or In: Ga: Zn = 1: 1: 2. A target can be used. The filling rate of the target containing In, Ga, and Zn is 90% to 100%, preferably 95% to less than 100%. By using a target with a high filling rate, the formed oxide semiconductor film becomes a dense film.

本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を100℃以上600℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると、例えば、水素原子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In this embodiment, a substrate is held in a treatment chamber kept under reduced pressure, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the treatment chamber is removed, and an oxide semiconductor is formed using the above target. A film is formed. During film formation, the substrate temperature may be 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. By forming the film while heating the substrate, the concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced. Further, damage due to sputtering is reduced. In order to remove moisture remaining in the treatment chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. When a processing chamber is exhausted using a cryopump, for example, a compound containing a hydrogen atom (more preferably a compound containing a carbon atom) such as a hydrogen atom or water (H 2 O) is exhausted. The concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced.

成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa、直流(DC)電源電力0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。   As an example of the film forming conditions, the distance between the substrate and the target is 100 mm, the pressure is 0.6 Pa, the direct current (DC) power supply power is 0.5 kW, and the oxygen (oxygen flow rate is 100%) atmosphere is applied. . Note that a pulse direct current (DC) power source is preferable because dust generated in film formation can be reduced and the film thickness can be made uniform.

また、スパッタリング装置の処理室のリークレートを1×10−10Pa・m/秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体膜への、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として上述した吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系からのアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。 Further, by setting the leak rate of the processing chamber of the sputtering apparatus to 1 × 10 −10 Pa · m 3 / sec or less, impurities such as alkali metal and hydride to the oxide semiconductor film during the film formation by the sputtering method Can be reduced. Further, by using the above-described adsorption-type vacuum pump as an exhaust system, backflow of impurities such as alkali metal, hydrogen atom, hydrogen molecule, water, hydroxyl group, or hydride from the exhaust system can be reduced.

また、ターゲットの純度を、99.99%以上とすることで、酸化物半導体膜に混入するアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等を低減することができる。また、当該ターゲットを用いることで、酸化物半導体膜において、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の濃度を低減することができる。   In addition, when the purity of the target is 99.99% or higher, alkali metals, hydrogen atoms, hydrogen molecules, water, hydroxyl groups, hydrides, or the like mixed in the oxide semiconductor film can be reduced. In addition, when the target is used, the concentration of alkali metal such as lithium, sodium, or potassium can be reduced in the oxide semiconductor film.

なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜712及び絶縁膜713までが形成された基板700を予備加熱し、基板700に吸着した水分または水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、好ましくは150℃以上300℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この予備加熱は、後に行われるゲート絶縁膜721の成膜前に、導電膜719、導電膜720まで形成した基板700にも同様に行ってもよい。   Note that in order to prevent the oxide semiconductor film from containing hydrogen, a hydroxyl group, and moisture as much as possible, a substrate in which the insulating film 712 and the insulating film 713 are formed in a preheating chamber of a sputtering apparatus as a pretreatment for film formation. 700 is preferably preheated, and impurities such as moisture or hydrogen adsorbed on the substrate 700 are desorbed and exhausted. Note that the preheating temperature is 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In addition, a cryopump is preferable as the exhaust means provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted. Further, this preheating may be similarly performed on the substrate 700 over which the conductive films 719 and 720 are formed before the gate insulating film 721 to be formed later.

なお、酸化物半導体層716を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl)、三塩化硼素(BCl)、四塩化珪素(SiCl)、四塩化炭素(CCl)など)が好ましい。また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF)、六弗化硫黄(SF)、三弗化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。 Note that etching for forming the oxide semiconductor layer 716 may be dry etching or wet etching, or both of them may be used. As an etching gas used for dry etching, a gas containing chlorine (chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like) Is preferred. Gas containing fluorine (fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur hexafluoride (SF 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc.), bromide Hydrogen (HBr), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like can be used.

ドライエッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の形状にエッチングできるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。   As the dry etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, and the substrate-side electrode temperature) are adjusted as appropriate so that etching can be performed in a desired shape.

ウェットエッチングに用いるエッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ITO−07N(関東化学社製)を用いる。   As an etchant used for wet etching, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or an organic acid such as citric acid or oxalic acid can be used. In this embodiment, ITO-07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is used.

酸化物半導体層716を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。   A resist mask for forming the oxide semiconductor layer 716 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層716及び絶縁膜712及び絶縁膜713の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。   Note that before the conductive film in the next step is formed, reverse sputtering is preferably performed to remove a resist residue or the like attached to the surfaces of the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713.

なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分または水素(水酸基を含む)が多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水分または水素などの不純物を低減(脱水化または脱水素化)するために、酸化物半導体層716に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で、酸化物半導体層716に加熱処理を施す。   Note that an oxide semiconductor film formed by sputtering or the like may contain a large amount of moisture or hydrogen (including a hydroxyl group) as an impurity. Since moisture or hydrogen easily forms a donor level, it is an impurity for an oxide semiconductor. Therefore, in one embodiment of the present invention, in order to reduce (dehydrate or dehydrogenate) impurities such as moisture or hydrogen in the oxide semiconductor film, the oxide semiconductor layer 716 is subjected to nitrogen or nitrogen in a reduced pressure atmosphere. Moisture content when measured using an inert gas atmosphere such as a rare gas, an oxygen gas atmosphere, or an ultra-dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter) is 20 ppm (-55 in terms of dew point) ° C.) or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less) The oxide semiconductor layer 716 is subjected to heat treatment under an atmosphere.

酸化物半導体層716に加熱処理を施すことで、酸化物半導体層716中の水分または水素を脱離させることができる。具体的には、250℃以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、500℃、3分間以上6分間以下程度で行えばよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。   By performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 716, moisture or hydrogen in the oxide semiconductor layer 716 can be eliminated. Specifically, heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 750 ° C., preferably 400 ° C. to less than the strain point of the substrate. For example, it may be performed at 500 ° C. for about 3 minutes to 6 minutes. When the RTA method is used for the heat treatment, dehydration or dehydrogenation can be performed in a short time, and thus the treatment can be performed even at a temperature exceeding the strain point of the glass substrate.

本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。   In this embodiment, an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses is used.

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。   Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and may include a device for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分または水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。   In the heat treatment, it is preferable that moisture, hydrogen, or the like be not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm). Or less, preferably 0.1 ppm or less).

なお、酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使えると指摘されている(神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、2009年9月号、Vol.44、pp.621−633.)。しかし、このような指摘は適切でない。アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちNaは、酸化物半導体層に接する絶縁膜が酸化物である場合、当該絶縁膜中に拡散してNaとなる。また、Naは、酸化物半導体層内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例えば、閾値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、移動度の低下等の、トランジスタの特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。この不純物によりもたらされるトランジスタの特性の劣化と、特性のばらつきは、酸化物半導体層中の水素濃度が十分に低い場合において顕著に現れる。したがって、酸化物半導体層中の水素濃度が1×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1017atoms/cm以下である場合には、上記不純物の濃度を低減することが望ましい。具体的に、二次イオン質量分析法によるNa濃度の測定値は、5×1016atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以下、更に好ましくは1×1015atoms/cm以下とするとよい。同様に、Li濃度の測定値は、5×1015atoms/cm以下、好ましくは1×1015atoms/cm以下とするとよい。同様に、K濃度の測定値は、5×1015atoms/cm以下、好ましくは1×1015atoms/cm以下とするとよい。 Note that oxide semiconductors are insensitive to impurities, and there is no problem if the film contains considerable metal impurities, and inexpensive soda-lime glass containing a large amount of alkali metals such as sodium can also be used. (Kamiya, Nomura, Hosono, “Physical Properties of Amorphous Oxide Semiconductors and Current Status of Device Development”, Solid State Physics, September 2009, Vol. 44, pp. 621-633.). However, such an indication is not appropriate. An alkali metal is an impurity because it is not an element included in an oxide semiconductor. Alkaline earth metal is also an impurity when it is not an element constituting an oxide semiconductor. In particular, Na in the alkali metal diffuses into the insulating film and becomes Na + when the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer is an oxide. In the oxide semiconductor layer, Na breaks or interrupts the bond between the metal and the oxygen included in the oxide semiconductor. As a result, for example, the transistor characteristics are deteriorated such as normally-on due to the shift of the threshold voltage in the negative direction and the mobility is lowered. In addition, the characteristics are also varied. The deterioration of the characteristics of the transistor and the variation in characteristics caused by the impurities are conspicuous when the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer is sufficiently low. Therefore, when the hydrogen concentration in the oxide semiconductor layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, it is desirable to reduce the concentration of the impurity. Specifically, the measured value of Na concentration by secondary ion mass spectrometry is 5 × 10 16 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3. It should be 3 or less. Similarly, the measured value of the Li concentration is 5 × 10 15 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less. Similarly, the measured value of the K concentration is 5 × 10 15 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

以上の工程により、酸化物半導体層716中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体層の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処理で、バンドギャップの広い酸化物半導体層を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができ、量産性を高めることができる。上記加熱処理は、酸化物半導体層の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。   Through the above steps, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer 716 can be reduced and the oxide semiconductor layer 716 can be highly purified. Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved. In addition, an oxide semiconductor layer with a wide band gap can be formed by heat treatment at a glass transition temperature or lower. Therefore, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, and mass productivity can be improved. The heat treatment can be performed at any time after the oxide semiconductor layer is formed.

なお、酸化物半導体層は非晶質であっても良いが、結晶性を有していても良い。結晶性を有する酸化物半導体層としては、c軸配向を有した結晶性酸化物半導体(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor:CAAC−OSとも呼ぶ)であっても、トランジスタの信頼性を高めるという効果を得ることができるので、好ましい。   Note that the oxide semiconductor layer may be amorphous or may have crystallinity. Even when a crystalline oxide semiconductor layer having a crystallinity is a crystalline oxide semiconductor having a c-axis orientation (also referred to as C Axis Crystalline Oxide Semiconductor: CAAC-OS), an effect of increasing the reliability of the transistor is obtained. Since it can obtain, it is preferable.

CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。 The CAAC-OS film is not completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a crystal-amorphous mixed phase structure where crystal parts and amorphous parts are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。 In the crystal part included in the CAAC-OS film, the c-axis is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and triangular when viewed from the direction perpendicular to the ab plane. It has a shape or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range from −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。 Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。 Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film (formation surface) Depending on the cross-sectional shape of the surface or the cross-sectional shape of the surface). Note that the c-axis direction of the crystal part is parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.

したがって、CAAC−OSで構成された酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動を低減することが可能である。よって、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。   Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film including a CAAC-OS can reduce variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light. Thus, a transistor having stable electrical characteristics can be manufactured.

CAAC−OSは、スパッタ法によっても作製することができる。スパッタ法によってCAAC−OS膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、ターゲットと基板の距離を広くとり(例えば、150mm〜200mm程度)、基板加熱温度を100℃〜500℃、好適には200℃〜400℃、更に好適には250℃〜300℃にすると好ましい。   The CAAC-OS can be manufactured by a sputtering method. It is important to form a hexagonal crystal in the initial stage of deposition of the CAAC-OS film by a sputtering method and to grow the crystal using the crystal as a seed. For that purpose, the distance between the target and the substrate is increased (for example, about 150 mm to 200 mm), and the substrate heating temperature is 100 ° C. to 500 ° C., preferably 200 ° C. to 400 ° C., more preferably 250 ° C. to 300 ° C. It is preferable.

また、CAAC−OSをスパッタ法を用いて成膜する場合には、雰囲気中の酸素ガス比が高い方が好ましい。例えば、アルゴン及び酸素の混合ガス雰囲気中でスパッタ法を行う場合には、酸素ガス比を30%以上とすることが好ましく、40%以上とすることがより好ましい。雰囲気中からの酸素の補充によって、CAAC−OSの結晶化が促進されるからである。 In the case where a CAAC-OS film is formed by a sputtering method, a higher oxygen gas ratio in the atmosphere is preferable. For example, when the sputtering method is performed in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen, the oxygen gas ratio is preferably 30% or more, and more preferably 40% or more. This is because replenishment of oxygen from the atmosphere promotes crystallization of the CAAC-OS.

また、スパッタ法を用いてCAAC−OSを成膜する場合には、CAAC−OSが成膜される基板を150℃以上に加熱しておくことが好ましく、170℃以上に加熱しておくことがより好ましい。基板温度の上昇に伴って、CAAC−OSの結晶化が促進されるからである。 In the case where a CAAC-OS film is formed by a sputtering method, the substrate on which the CAAC-OS film is formed is preferably heated to 150 ° C. or higher, and is preferably heated to 170 ° C. or higher. More preferred. This is because crystallization of the CAAC-OS is promoted as the substrate temperature rises.

また、CAAC−OSに対して、窒素雰囲気中又は真空中において熱処理を行った後には、酸素雰囲気中又は酸素と他のガスとの混合雰囲気中において熱処理を行うことが好ましい。先の熱処理で生じる酸素欠損を後の熱処理における雰囲気中からの酸素供給によって復元することができるからである。 Further, after heat treatment is performed on the CAAC-OS in a nitrogen atmosphere or in a vacuum, the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere or a mixed atmosphere of oxygen and another gas. This is because oxygen vacancies generated in the previous heat treatment can be restored by supplying oxygen from the atmosphere in the subsequent heat treatment.

また、CAAC−OSが成膜される膜表面(被成膜面)は平坦であることが好ましい。CAAC−OSは、当該被成膜面に概略垂直となるc軸を有するため、当該被成膜面に存在する凹凸は、CAAC−OSにおける結晶粒界の発生を誘発することになるからである。よって、CAAC−OSが成膜される前に当該被成膜表面に対して化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)などの平坦化処理を行うことが好ましい。また、当該被成膜面の平均ラフネスは、0.5nm以下であることが好ましく、0.3nm以下であることがより好ましい。 In addition, the film surface (film formation surface) over which the CAAC-OS is formed is preferably flat. This is because the CAAC-OS has a c-axis that is substantially perpendicular to the deposition surface, and thus unevenness on the deposition surface induces generation of crystal grain boundaries in the CAAC-OS. . Therefore, it is preferable to perform planarization treatment such as chemical mechanical polishing (CMP) on the deposition surface before the CAAC-OS is formed. In addition, the average roughness of the deposition surface is preferably 0.5 nm or less, and more preferably 0.3 nm or less.

ここで、CAAC−OSについて図14乃至図16を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図14乃至図16は上方向をc軸方向とし、c軸方向と直交する面をab面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ab面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図14において、丸で囲まれたOは4配位のOを示し、二重丸で囲まれたOは3配位のOを示す。 Here, the CAAC-OS will be described in detail with reference to FIGS. Unless otherwise specified, in FIGS. 14 to 16, the upward direction is the c-axis direction, and the plane orthogonal to the c-axis direction is the ab plane. Note that the upper half and the lower half simply refer to the upper half and the lower half when the ab surface is used as a boundary. In FIG. 14, O surrounded by a circle represents tetracoordinate O, and O surrounded by a double circle represents tricoordinate O.

図14(A)に、1個の6配位のInと、Inに近接の6個の4配位の酸素原子(以下4配位のO)と、を有する構造を示す。Inが1個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を、ここではサブユニットと呼ぶ。図14(A)の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図14(A)の上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがある。図14(A)に示すサブユニットは電荷が0である。 FIG. 14A illustrates a structure including one hexacoordinate In and six tetracoordinate oxygen atoms adjacent to In (hereinafter, tetracoordinate O). A structure in which only one oxygen atom is adjacent to one In is referred to as a subunit here. The structure in FIG. 14A has an octahedral structure, but is illustrated as a planar structure for simplicity. Note that three tetracoordinate O atoms exist in each of an upper half and a lower half in FIG. The subunit shown in FIG. 14A has zero electric charge.

図14(B)に、1個の5配位のGaと、Gaに近接の3個の3配位の酸素原子(以下3配位のO)と、Gaに近接の2個の4配位のOと、を有する構造を示す。3配位のOは、いずれもab面に存在する。図14(B)の上半分および下半分にはそれぞれ1個ずつ4配位のOがある。また、Inも5配位をとるため、図14(B)に示す構造をとりうる。図14(B)に示すサブユニットは電荷が0である。 FIG. 14B illustrates one pentacoordinate Ga, three tricoordinate oxygen atoms close to Ga (hereinafter, tricoordinate O), and two tetracoordinates close to Ga. And a structure having O. All tricoordinate O atoms are present on the ab plane. One tetracoordinate O atom exists in each of an upper half and a lower half in FIG. In addition, since In also has five coordination, the structure illustrated in FIG. 14B can be employed. The subunit shown in FIG. 14B has zero electric charge.

図14(C)に、1個の4配位のZnと、Znに近接の4個の4配位のOと、による構造を示す。図14(C)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがある。図14(C)に示すサブユニットは電荷が0である。 FIG. 14C illustrates a structure including one tetracoordinate Zn and four tetracoordinate O adjacent to Zn. In FIG. 14C, there is one tetracoordinate O in the upper half, and three tetracoordinate O in the lower half. The subunit shown in FIG. 14C has zero electric charge.

図14(D)に、1個の6配位のSnと、Snに近接の6個の4配位のOと、を有する構造を示す。図14(D)の上半分には3個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがある。図14(D)に示すサブユニットは電荷が+1となる。 FIG. 14D illustrates a structure including one hexacoordinate Sn and six tetracoordinate O adjacent to Sn. In FIG. 14D, there are three tetracoordinate O atoms in the upper half and three tetracoordinate O atoms in the lower half. The subunit shown in FIG. 14D has a charge of +1.

図14(E)に、2個のZnを含むサブユニットを示す。図14(E)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には1個の4配位のOがある。図14(E)に示すサブユニットは電荷が−1となる。 FIG. 14E illustrates a subunit including two Zn atoms. In FIG. 14E, there is one tetracoordinate O in the upper half, and one tetracoordinate O in the lower half. In the subunit illustrated in FIG. 14E, electric charge is -1.

ここでは、サブユニットのいくつかの集合体を1グループと呼び、複数のグループの集合体を1ユニットと呼ぶ。 Here, several aggregates of subunits are referred to as one group, and aggregates of a plurality of groups are referred to as one unit.

ここで、これらのサブユニット同士が結合する規則について説明する。6配位のInの上半分の3個のOは、下方向にそれぞれ3個の近接Inを有し、下半分の3個のOは、上方向にそれぞれ3個の近接Inを有する。5配位のGaの上半分の1個のOは、下方向に1個の近接Gaを有し、下半分の1個のOは、上方向に1個の近接Gaを有する。4配位のZnの上半分の1個のOは、下方向に1個の近接Znを有し、下半分の3個のOは、上方向にそれぞれ3個の近接Znを有する。この様に、金属原子の上方向の4配位のOの数と、そのOの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の4配位のOの数と、そのOの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Oは4配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は4になる。従って、金属原子の上方向にある4配位のOの数と、別の金属原子の下方向にある4配位のOの数との和が4個のとき、金属原子を有する二種のサブユニット同士は結合することができる。例えば、6配位の金属原子(InまたはSn)が下半分の4配位のOを介して結合する場合、4配位のOが3個であるため、5配位の金属原子(GaまたはIn)、4配位の金属原子(Zn)のいずれかと結合することになる。 Here, a rule for combining these subunits will be described. The three Os in the upper half of hexacoordinate In each have three adjacent Ins in the downward direction, and the three Os in the lower half each have three adjacent Ins in the upper direction. One O in the upper half of pentacoordinate Ga has one adjacent Ga in the lower direction, and one O in the lower half has one adjacent Ga in the upper direction. One O in the upper half of tetracoordinate Zn has one neighboring Zn in the lower direction, and three Os in the lower half each have three neighboring Zn in the upper direction. In this way, the number of upward tetracoordinate O atoms of a metal atom is equal to the number of adjacent metal atoms in the downward direction of the O, and similarly the number of downward tetracoordinate O atoms of the metal atom is , The number of adjacent metal atoms in the upper direction of O is equal. Since O is 4-coordinate, the sum of the number of adjacent metal atoms in the downward direction and the number of adjacent metal atoms in the upward direction is 4. Therefore, when the sum of the number of tetracoordinate O atoms in the upward direction of a metal atom and the number of tetracoordinate O atoms in the downward direction of another metal atom is four, Subunits can be joined together. For example, in the case where a hexacoordinate metal atom (In or Sn) is bonded via tetracoordinate O in the lower half, since there are three tetracoordinate O atoms, a pentacoordinate metal atom (Ga or In) and any of four-coordinate metal atoms (Zn).

これらの配位数を有する金属原子は、c軸方向において、4配位のOを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が0となるようにサブユニット同士が結合して1グループを構成する。 The metal atoms having these coordination numbers are bonded via tetracoordinate O in the c-axis direction. In addition, the subunits are combined to form one group so that the total charge of the layer structure is zero.

図15(A)に、In−Sn−Zn−O系の層構造を構成する1グループのモデル図を示す。図15(B)に、3つのグループで構成されるユニットを示す。なお、図15(C)は、図15(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示す。 FIG. 15A is a model diagram of one group included in an In—Sn—Zn—O-based layer structure. FIG. 15B shows a unit composed of three groups. Note that FIG. 15C illustrates an atomic arrangement in the case where the layered structure in FIG. 15B is observed from the c-axis direction.

図15(A)においては、簡単のため、3配位のOは省略し、4配位のOは個数のみ示し、例えば、Sn原子の上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがあることを丸枠の3として示している。同様に、図15(A)において、In原子の上半分および下半分にはそれぞれ1個ずつ4配位のOがあり、丸枠の1として示している。また、同様に、図15(A)において、下半分には1個の4配位のOがあり、上半分には3個の4配位のOがあるZn原子と、上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがあるZn原子とを示している。 In FIG. 15A, for simplicity, tricoordinate O is omitted, and tetracoordinate O is only the number. For example, three tetracoordinates are provided in each of the upper half and the lower half of the Sn atom. The presence of O is shown as 3 in a round frame. Similarly, in FIG. 15A, one tetracoordinate O atom exists in each of the upper half and the lower half of the In atom, which is shown as 1 in a round frame. Similarly, in FIG. 15A, the lower half includes one tetracoordinate O atom, the upper half includes three tetracoordinate O atoms, and the upper half includes 1 atom. There are four tetracoordinate O atoms, and the lower half shows a Zn atom with three tetracoordinate O atoms.

図15(A)において、In−Sn−Zn−O系の層構造を構成するグループは、上から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSn原子が、4配位のOが1個ずつ上半分および下半分にあるIn原子と結合し、そのIn原子が、上半分に3個の4配位のOがあるZn原子と結合し、そのZn原子の下半分の1個の4配位のOを介して4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるIn原子と結合し、そのIn原子が、上半分に1個の4配位のOがあるZn2個からなるサブユニットと結合し、このサブユニットの下半分の1個の4配位のOを介して4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSn原子と結合している構成である。このグループを複数結合してユニットを構成する。 In FIG. 15A, the group constituting the In—Sn—Zn—O-based layer structure includes three tetracoordinate O atoms in the upper half and the lower half in order from the top. Are bonded to In atoms in the upper half and the lower half one by one, and the In atoms are bonded to Zn atoms having three tetracoordinate O atoms in the upper half. Three tetracoordinate O atoms are bonded to In atoms in the upper half and the lower half through one tetracoordinate O atom, and the In atom is bonded to one tetracoordinate O atom in the upper half. It binds to a subunit consisting of two Zn atoms, and three tetracoordinate O atoms bind to Sn atoms in the upper half and lower half through one tetracoordinate O in the lower half of this subunit. It is the composition which is. A plurality of these groups are combined to form a unit.

ここで、3配位のOおよび4配位のOの場合、結合1本当たりの電荷はそれぞれ−0.667、−0.5と考えることができる。例えば、In(6配位または5配位)、Zn(4配位)、Sn(5配位または6配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+4である。従って、Snを含むサブユニットは電荷が+1となる。そのため、Snを含む層構造を形成するためには、電荷+1を打ち消す電荷−1が必要となる。電荷−1をとる構造として、図14(E)に示すように、2個のZnを含むサブユニットが挙げられる。例えば、Snを含むサブユニットが1個に対し、2個のZnを含むサブユニットが1個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を0とすることができる。 Here, in the case of tricoordinate O and tetracoordinate O, the charges per bond can be considered to be −0.667 and −0.5, respectively. For example, the charges of In (6-coordinate or 5-coordinate), Zn (4-coordinate), and Sn (5-coordinate or 6-coordinate) are +3, +2, and +4, respectively. Therefore, the subunit including Sn has a charge of +1. Therefore, in order to form a layer structure including Sn, a charge −1 that cancels the charge +1 is required. As a structure with charge −1, a subunit containing two Zn atoms can be given as shown in FIG. For example, if there is one subunit containing Sn and one subunit containing two Zn, the charge is canceled out, so the total charge of the layer structure can be zero.

具体的には、図15(B)に示したユニットが繰り返されることで、In−Sn−Zn−O系の結晶(InSnZn)を得ることができる。なお、得られるIn−Sn−Zn−O系の層構造は、InSnZn(ZnO)(mは0または自然数。)とする組成式で表すことができる。 Specifically, by repeating the unit illustrated in FIG. 15B, an In—Sn—Zn—O-based crystal (In 2 SnZn 3 O 8 ) can be obtained. Note that an In—Sn—Zn—O-based layer structure obtained can be represented by a composition formula, In 2 SnZn 2 O 7 (ZnO) m (m is 0 or a natural number).

また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物や、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn−O系酸化物(IGZOとも表記する。)、In−Al−Zn−O系酸化物、Sn−Ga−Zn−O系酸化物、Al−Ga−Zn−O系酸化物、Sn−Al−Zn−O系酸化物や、二元系金属の酸化物であるIn−Zn−O系酸化物、Sn−Zn−O系酸化物、Al−Zn−O系酸化物、Zn−Mg−O系酸化物、Sn−Mg−O系酸化物、In−Mg−O系酸化物や、In−Ga−O系酸化物などを用いた場合も同様である。 In addition, an In—Sn—Ga—Zn—O-based oxide that is an oxide of a quaternary metal or an In—Ga—Zn—O-based oxide that is an oxide of a ternary metal ( IGZO)), In-Al-Zn-O-based oxide, Sn-Ga-Zn-O-based oxide, Al-Ga-Zn-O-based oxide, Sn-Al-Zn-O-based oxide In-Zn-O-based oxides, Sn-Zn-O-based oxides, Al-Zn-O-based oxides, Zn-Mg-O-based oxides, Sn-Mg oxides that are binary metal oxides The same applies to the case where an —O-based oxide, an In—Mg—O-based oxide, an In—Ga—O-based oxide, or the like is used.

例えば、図16(A)に、In−Ga−Zn−O系の層構造を構成する1グループのモデル図を示す。 For example, FIG. 16A illustrates a model diagram of one group included in an In—Ga—Zn—O-based layer structure.

図16(A)において、In−Ga−Zn−O系の層構造を構成するグループは、上から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるIn原子が、4配位のOが1個上半分にあるZn原子と結合し、そのZn原子の下半分の3個の4配位のOを介して、4配位のOが1個ずつ上半分および下半分にあるGa原子と結合し、そのGa原子の下半分の1個の4配位のOを介して、4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるIn原子と結合している構成である。このグループを複数結合してユニットを構成する。 In FIG. 16A, the group constituting the In—Ga—Zn—O-based layer structure includes four tetracoordinate O atoms in the upper half and the lower half in order from the top. Is bonded to a Zn atom in the upper half, and through the three tetracoordinate O atoms in the lower half of the Zn atom, one tetracoordinate O atom exists in the upper half and the lower half one by one. It is bonded to Ga atoms, and through four tetracoordinate O atoms in the lower half of the Ga atoms, three tetracoordinate O atoms are bonded to In atoms in the upper half and the lower half. is there. A plurality of these groups are combined to form a unit.

図16(B)に3つのグループで構成されるユニットを示す。なお、図16(C)は、図16(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示している。 FIG. 16B shows a unit composed of three groups. Note that FIG. 16C illustrates an atomic arrangement in the case where the layered structure in FIG. 16B is observed from the c-axis direction.

ここで、In(6配位または5配位)、Zn(4配位)、Ga(5配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+3であるため、In、ZnおよびGaのいずれかを含むサブユニットは、電荷が0となる。そのため、これらのサブユニットの組み合わせであればグループの合計の電荷は常に0となる。 Here, charges of In (6-coordinate or 5-coordinate), Zn (4-coordinate), and Ga (5-coordinate) are +3, +2, and +3, respectively. The included subunit has zero charge. For this reason, in the case of a combination of these subunits, the total charge of the group is always zero.

また、In−Ga−Zn−O系の層構造を構成するグループは、図16(A)に示したグループに限定されず、In、Ga、Znの配列が異なるグループを組み合わせたユニットも取りうる。 In addition, a group included in the In—Ga—Zn—O-based layer structure is not limited to the group illustrated in FIG. 16A, and a unit in which groups having different arrangements of In, Ga, and Zn are combined can be used. .

次いで、図12(A)に示すように、ゲート電極707と接し、なおかつ酸化物半導体層716とも接する導電膜719と、導電膜708と接し、なおかつ酸化物半導体層716とも接する導電膜720とを形成する。導電膜719及び導電膜720は、ソース電極またはドレイン電極として機能する。   Next, as illustrated in FIG. 12A, a conductive film 719 in contact with the gate electrode 707 and in contact with the oxide semiconductor layer 716 and a conductive film 720 in contact with the conductive film 708 and in contact with the oxide semiconductor layer 716 are formed. Form. The conductive films 719 and 720 function as a source electrode or a drain electrode.

具体的に、導電膜719及び導電膜720は、ゲート電極707及び導電膜708を覆うようにスパッタ法や真空蒸着法で導電膜を形成した後、該導電膜を所定の形状に加工(パターニング)することで、形成することができる。   Specifically, the conductive film 719 and the conductive film 720 are formed by sputtering or vacuum deposition so as to cover the gate electrode 707 and the conductive film 708, and then processed (patterning) into a predetermined shape. By doing so, it can be formed.

導電膜719及び導電膜720となる導電膜は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側若しくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。   The conductive film to be the conductive films 719 and 720 is an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, an alloy containing any of the above elements as a component, or an alloy that combines the above elements. Examples include membranes. Alternatively, a high melting point metal film such as chromium, tantalum, titanium, molybdenum, or tungsten may be stacked below or above the metal film such as aluminum or copper. Aluminum or copper is preferably used in combination with a refractory metal material in order to avoid problems of heat resistance and corrosion. As the refractory metal material, molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, scandium, yttrium, or the like can be used.

また、導電膜719及び導電膜720となる導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、更にその上にチタン膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Cu−Mg−Al合金、Mo−Ti合金、Ti、Mo、は、酸化膜との密着性が高い。よって、下層にCu−Mg−Al合金、Mo−Ti合金、Ti、或いはMoで構成される導電膜、上層にCuで構成される導電膜を積層し、上記積層された導電膜を導電膜719及び導電膜720に用いることで、酸化膜である絶縁膜と、導電膜719及び導電膜720との密着性を高めることができる。   The conductive film to be the conductive films 719 and 720 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is laminated on an aluminum film, a titanium film, an aluminum film laminated on the titanium film, and a titanium film formed on the titanium film. Examples include a three-layer structure. Further, Cu—Mg—Al alloy, Mo—Ti alloy, Ti, and Mo have high adhesion to the oxide film. Therefore, a conductive film composed of Cu—Mg—Al alloy, Mo—Ti alloy, Ti, or Mo is stacked as a lower layer, and a conductive film composed of Cu is stacked as an upper layer. By using the conductive film 720, the adhesion between the insulating film which is an oxide film and the conductive films 719 and 720 can be increased.

また、導電膜719及び導電膜720となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。   Alternatively, the conductive film to be the conductive films 719 and 720 may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used.

導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。   In the case where heat treatment is performed after formation of the conductive film, the conductive film preferably has heat resistance enough to withstand the heat treatment.

なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層716がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、酸化物半導体層716の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部(凹部)が形成されることもある。   Note that each material and etching conditions are adjusted as appropriate so that the oxide semiconductor layer 716 is not removed as much as possible when the conductive film is etched. Depending on the etching conditions, a part of the exposed portion of the oxide semiconductor layer 716 may be etched to form a groove (a depressed portion).

本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液(アンモニア過水)を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることができる。具体的には、31重量%の過酸化水素水と、28重量%のアンモニア水と水とを、体積比5:2:2で混合したアンモニア過水を用いる。或いは、塩素(Cl)、塩化硼素(BCl)などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。 In this embodiment, a titanium film is used for the conductive film. Therefore, the conductive film can be selectively wet-etched using a solution containing ammonia and aqueous hydrogen peroxide (ammonia hydrogen peroxide). Specifically, ammonia perwater obtained by mixing 31% by weight of hydrogen peroxide water, 28% by weight of ammonia water and water at a volume ratio of 5: 2: 2. Alternatively, the conductive film may be dry-etched using a gas containing chlorine (Cl 2 ), boron chloride (BCl 3 ), or the like.

なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことで更に形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。   Note that in order to reduce the number of photomasks used in the photolithography process and the number of processes, the etching process may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask that gives multi-level intensity to transmitted light. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further deformed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching processes for processing into different patterns. . Therefore, a resist mask corresponding to at least two kinds of different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.

また、酸化物半導体層716と、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720との間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けるようにしても良い。酸化物導電膜の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電膜として、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを適用することができる。   Further, an oxide conductive film functioning as a source region and a drain region may be provided between the oxide semiconductor layer 716 and the conductive films 719 and 720 functioning as a source electrode and a drain electrode. As a material for the oxide conductive film, a material containing zinc oxide as a component is preferable, and a material not containing indium oxide is preferable. As such an oxide conductive film, zinc oxide, zinc aluminum oxide, zinc aluminum oxynitride, zinc gallium oxide, or the like can be used.

例えば、酸化物導電膜を形成する場合、酸化物導電膜を形成するためのパターニングと、導電膜719及び導電膜720を形成するためのパターニングとを一括で行うようにしても良い。   For example, in the case of forming an oxide conductive film, patterning for forming the oxide conductive film and patterning for forming the conductive films 719 and 720 may be performed in a lump.

ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、酸化物半導体層716と導電膜719及び導電膜720の間の抵抗を下げることができるので、トランジスタの高速動作を実現させることができる。また、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、トランジスタの耐圧を高めることができる。   By providing the oxide conductive film functioning as the source region and the drain region, the resistance between the oxide semiconductor layer 716, the conductive film 719, and the conductive film 720 can be reduced; thus, high-speed operation of the transistor can be realized. it can. Further, by providing the oxide conductive film functioning as a source region and a drain region, the withstand voltage of the transistor can be increased.

次いで、NO、N、またはArなどのガスを用いたプラズマ処理を行うようにしても良い。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。 Next, plasma treatment using a gas such as N 2 O, N 2 , or Ar may be performed. Water or the like attached to the surface of the oxide semiconductor layer exposed by this plasma treatment is removed. Further, plasma treatment may be performed using a mixed gas of oxygen and argon.

なお、プラズマ処理を行った後、図12(B)に示すように、導電膜719及び導電膜720と、酸化物半導体層716とを覆うように、ゲート絶縁膜721を形成する。そして、ゲート絶縁膜721上において、酸化物半導体層716と重なる位置にゲート電極722を形成し、導電膜719と重なる位置に導電膜723を形成する。   Note that after the plasma treatment, a gate insulating film 721 is formed so as to cover the conductive films 719 and 720 and the oxide semiconductor layer 716 as illustrated in FIG. Then, over the gate insulating film 721, the gate electrode 722 is formed in a position overlapping with the oxide semiconductor layer 716, and the conductive film 723 is formed in a position overlapping with the conductive film 719.

ゲート絶縁膜721は、ゲート絶縁膜703と同様の材料、同様の積層構造を用いて形成することが可能である。なお、ゲート絶縁膜721は、水分や、水素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。ゲート絶縁膜721に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層716へ侵入し、または水素が酸化物半導体層716中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層716が低抵抗化(n型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、ゲート絶縁膜721はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。上記ゲート絶縁膜721には、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体層716に近い側に形成する。そして、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜719及び導電膜720及び酸化物半導体層716と重なるように、バリア性の高い絶縁膜を形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体層716内、ゲート絶縁膜721内、或いは、酸化物半導体層716と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分または水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層716に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体層716に接するのを防ぐことができる。   The gate insulating film 721 can be formed using a material similar to that of the gate insulating film 703 and a similar stacked structure. Note that the gate insulating film 721 preferably contains as little moisture and impurities as hydrogen, and may be a single-layer insulating film or a plurality of stacked insulating films. When hydrogen is contained in the gate insulating film 721, the hydrogen penetrates into the oxide semiconductor layer 716, or hydrogen extracts oxygen in the oxide semiconductor layer 716, so that the resistance of the oxide semiconductor layer 716 is reduced (n-type reduction). And a parasitic channel may be formed. Therefore, it is important not to use hydrogen in the deposition method so that the gate insulating film 721 contains as little hydrogen as possible. It is preferable to use a material having a high barrier property for the gate insulating film 721. For example, as the insulating film having a high barrier property, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum nitride oxide film, or the like can be used. In the case of using a plurality of stacked insulating films, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a low nitrogen content is placed closer to the oxide semiconductor layer 716 than the insulating film having a high barrier property. Form. Then, an insulating film with a high barrier property is formed so as to overlap with the conductive films 719, 720, and 716, with an insulating film having a low nitrogen content interposed therebetween. By using an insulating film having a high barrier property, impurities such as moisture or hydrogen are present in the oxide semiconductor layer 716, the gate insulating film 721, or the interface between the oxide semiconductor layer 716 and another insulating film and the vicinity thereof. It can be prevented from entering. Further, by forming an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a low nitrogen ratio so as to be in contact with the oxide semiconductor layer 716, the insulating film using a material having a high barrier property can be directly formed 716 can be prevented from touching.

本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚200nmの酸化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚100nmの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜721を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の形態では100℃とする。   In this embodiment, the gate insulating film 721 having a structure in which a silicon nitride film having a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is stacked over a silicon oxide film having a thickness of 200 nm formed by a sputtering method is formed. . The substrate temperature at the time of film formation may be from room temperature to 300 ° C., and is 100 ° C. in this embodiment.

なお、ゲート絶縁膜721を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは200℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下であることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。或いは、導電膜719及び導電膜720を形成する前に、水分または水素を低減させるための酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のRTA処理を行っても良い。酸素を含むゲート絶縁膜721が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層716に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層716に酸素欠損が発生していたとしても、ゲート絶縁膜721から酸化物半導体層716に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層716に酸素が供与されることで、酸化物半導体層716において、ドナーとなる酸素欠損を低減し、化学量論的組成比を満たすことが可能である。酸化物半導体層716には、化学量論的組成比を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。その結果、酸化物半導体層716をi型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、ゲート絶縁膜721の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層716をi型に近づけることができる。   Note that heat treatment may be performed after the gate insulating film 721 is formed. The heat treatment is preferably performed at 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C. in an atmosphere of nitrogen, ultra-dry air, or a rare gas (such as argon or helium). The gas preferably has a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. In this embodiment, for example, heat treatment is performed at 250 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. Alternatively, before the conductive film 719 and the conductive film 720 are formed, high-temperature and short-time RTA treatment may be performed as in the previous heat treatment performed on the oxide semiconductor layer for reducing moisture or hydrogen. good. By the heat treatment performed after the gate insulating film 721 containing oxygen is provided, oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer 716 due to the previous heat treatment performed on the oxide semiconductor layer 716. Even so, oxygen is supplied from the gate insulating film 721 to the oxide semiconductor layer 716. When oxygen is supplied to the oxide semiconductor layer 716, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 716 can be reduced and the stoichiometric composition ratio can be satisfied. The oxide semiconductor layer 716 preferably contains oxygen in an amount exceeding the stoichiometric composition ratio. As a result, the oxide semiconductor layer 716 can be made to be i-type, variation in electric characteristics of the transistor due to oxygen vacancies can be reduced, and electric characteristics can be improved. The timing of performing this heat treatment is not particularly limited as long as it is after the formation of the gate insulating film 721. Other processes, for example, heat treatment at the time of forming the resin film, and heat treatment for reducing the resistance of the transparent conductive film, By also serving, the oxide semiconductor layer 716 can be made to be i-type without increasing the number of steps.

また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層716に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層716中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上250℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。   Further, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 716 may be reduced by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 716 in an oxygen atmosphere so that oxygen is added to the oxide semiconductor. The temperature of the heat treatment is, for example, 100 ° C. or higher and lower than 350 ° C., preferably 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C. The oxygen gas used for the heat treatment under the oxygen atmosphere preferably does not contain water, hydrogen, or the like. Alternatively, the purity of the oxygen gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration in oxygen is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm). Or less).

或いは、イオン注入法またはイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体層716に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、2.45GHzのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層716に添加すれば良い。   Alternatively, oxygen vacancies serving as donors may be reduced by adding oxygen to the oxide semiconductor layer 716 by an ion implantation method, an ion doping method, or the like. For example, oxygen converted into plasma with a microwave of 2.45 GHz may be added to the oxide semiconductor layer 716.

また、ゲート電極722及び導電膜723は、ゲート絶縁膜721上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで形成することができる。ゲート電極722及び導電膜723は、ゲート電極707、或いは導電膜719及び導電膜720と同様の材料を用いて形成することが可能である。   The gate electrode 722 and the conductive film 723 can be formed by forming a conductive film over the gate insulating film 721 and then patterning the conductive film. The gate electrode 722 and the conductive film 723 can be formed using a material similar to that of the gate electrode 707 or the conductive films 719 and 720.

ゲート電極722及び導電膜723の膜厚は、10nm〜400nm、好ましくは100nm〜200nmとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により150nmのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工(パターニング)することで、ゲート電極722及び導電膜723を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。   The thicknesses of the gate electrode 722 and the conductive film 723 are 10 nm to 400 nm, preferably 100 nm to 200 nm. In this embodiment, after a 150 nm gate electrode conductive film is formed by sputtering using a tungsten target, the conductive film is processed (patterned) into a desired shape by etching, whereby the gate electrode 722 and the conductive film are formed. A film 723 is formed. Note that the resist mask may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

以上の工程により、第1のトランジスタ111が形成される。   Through the above steps, the first transistor 111 is formed.

なお、ゲート絶縁膜721を間に挟んで導電膜719と導電膜723とが重なる部分が、第1の容量素子113に相当する。   Note that a portion where the conductive film 719 and the conductive film 723 overlap with the gate insulating film 721 provided therebetween corresponds to the first capacitor 113.

また、第1のトランジスタ111はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、デュアルゲート構造またはマルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。   Although the first transistor 111 is described using a single-gate transistor, a dual-gate structure including a plurality of channel formation regions by including a plurality of electrically connected gate electrodes as necessary. Alternatively, a multi-gate transistor can be formed.

なお、酸化物半導体層716に接する絶縁膜(本実施の形態においては、ゲート絶縁膜721が該当する。)は、第13族元素及び酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第13族元素を含むものが多く、第13族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。   Note that for the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 (in this embodiment, the gate insulating film 721 corresponds), an insulating material containing a Group 13 element and oxygen may be used. Many oxide semiconductor materials contain a Group 13 element, and an insulating material containing a Group 13 element has good compatibility with an oxide semiconductor. By using this for an insulating film in contact with the oxide semiconductor layer, oxidation can be performed. The state of the interface with the physical semiconductor layer can be kept good.

第13族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一又は複数の第13族元素を含むことを意味する。第13族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量(原子%)よりアルミニウムの含有量(原子%)が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量(原子%)がアルミニウムの含有量(原子%)以上のものを示す。   An insulating material containing a Group 13 element means that the insulating material contains one or more Group 13 elements. Examples of the insulating material containing a Group 13 element include gallium oxide, aluminum oxide, aluminum gallium oxide, and gallium aluminum oxide. Here, aluminum gallium oxide indicates that the aluminum content (atomic%) is higher than gallium content (atomic%), and gallium aluminum oxide means that the gallium aluminum content (atomic%) contains aluminum. The amount (atomic%) or more is shown.

例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜の界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。   For example, when an insulating film is formed in contact with an oxide semiconductor layer containing gallium, the interface characteristics between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be kept favorable by using a material containing gallium oxide for the insulating film. . For example, when an oxide semiconductor layer and an insulating film containing gallium oxide are provided in contact with each other, pileup of hydrogen at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be reduced. Note that a similar effect can be obtained when an element of the same group as a constituent element of the oxide semiconductor is used for the insulating film. For example, it is also effective to form an insulating film using a material containing aluminum oxide. Note that aluminum oxide has a characteristic that water is difficult to permeate, and thus the use of the material is preferable in terms of preventing water from entering the oxide semiconductor layer.

また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。   The insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 is preferably made to have a state in which the amount of oxygen in the insulating material is higher than that in the stoichiometric composition ratio by heat treatment in an oxygen atmosphere, oxygen doping, or the like. Oxygen doping means adding oxygen to the bulk. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. The oxygen dope includes oxygen plasma dope in which plasma oxygen is added to the bulk. Further, oxygen doping may be performed using an ion implantation method or an ion doping method.

例えば、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をGa(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 For example, in the case where gallium oxide is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of gallium oxide is changed to Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).

また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をAl(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 In the case where aluminum oxide is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of the aluminum oxide is changed to Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).

また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)の組成をGaAl2−X3+α(0<X<2、0<α<1)とすることができる。 In the case where gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is changed by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. Ga X Al 2-X O 3 + α (0 <X <2,0 <α <1) can be.

酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体層が接することにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、または酸化物半導体層と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体層をi型化またはi型に限りなく近くすることができる。   By performing the oxygen doping treatment, an insulating film having a region where oxygen is higher than the stoichiometric composition ratio can be formed. When the insulating film including such a region is in contact with the oxide semiconductor layer, excess oxygen in the insulating film is supplied to the oxide semiconductor layer, and the oxide semiconductor layer or the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film is supplied. The number of oxygen defects can be reduced, and the oxide semiconductor layer can be made i-type or i-type as close as possible.

絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給されることで酸素欠陥が低減された酸化物半導体層は、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、且つ十分な酸素の供給により酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体層とすることができる。そのため、キャリア濃度が極めて小さい酸化物半導体層とすることができ、オフ電流が著しく低いトランジスタとすることができる。このようなオフ電流が著しく低いトランジスタを、上記実施の形態の第1のトランジスタに適用することで、非導通状態とした際に、ほぼ絶縁体とみなすことができる。従って第1のトランジスタに用いることで、記憶ノードD_HOLDに保持された電位の低下を極めて小さいレベルに抑制できる。その結果、電源電圧の供給が停止した場合でも、記憶ノードD_HOLDの電位の変動を小さくでき、記憶されたデータの消失を防ぐことができる不揮発性記憶装置とすることができる。 An oxide semiconductor layer in which oxygen defects are reduced by supplying excess oxygen in the insulating film to the oxide semiconductor layer is highly purified by sufficiently reducing the hydrogen concentration, and by supplying sufficient oxygen. An oxide semiconductor layer in which defect levels in an energy gap due to oxygen vacancies are reduced can be obtained. Therefore, an oxide semiconductor layer with extremely low carrier concentration can be obtained, and a transistor with extremely low off-state current can be obtained. By applying such a transistor with extremely low off-state current to the first transistor in the above embodiment, the transistor can be regarded as an insulator when it is turned off. Therefore, by using it for the first transistor, a decrease in the potential held in the storage node D_HOLD can be suppressed to an extremely small level. As a result, even when the supply of power supply voltage is stopped, a change in potential of the storage node D_HOLD can be reduced, and a nonvolatile storage device that can prevent the loss of stored data can be obtained.

なお、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体層716に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜または下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層716に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層716を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。   Note that the insulating film having a region containing more oxygen than the stoichiometric composition ratio is one of the insulating film located in the upper layer and the insulating film located in the lower layer among the insulating films in contact with the oxide semiconductor layer 716. However, it is preferable to use it for both insulating films. An insulating film having a region containing more oxygen than the stoichiometric composition ratio is used as an insulating film located above and below the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 so that the oxide semiconductor layer 716 is interposed therebetween. Thus, the above effect can be further enhanced.

また、酸化物半導体層716の上層または下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例えば、上層と下層とも、組成がGa(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとしても良いし、上層と下層の一方を組成がGa(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとし、他方を組成がAl(X=3+α、0<α<1)の酸化アルミニウムとしても良い。 The insulating film used for the upper layer or the lower layer of the oxide semiconductor layer 716 may be an insulating film having the same constituent element in the upper layer and the lower layer, or may be an insulating film having different constituent elements. For example, the upper layer and the lower layer may be gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1), and one of the upper layer and the lower layer may have a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <Α <1) may be gallium oxide, and the other may be aluminum oxide having a composition of Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1).

また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜は、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層716の上層に組成がGa(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がGaAl2−X3+α(0<X<2、0<α<1)の酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を形成してもよい。なお、酸化物半導体層716の下層を、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体層716の上層及び下層の両方を、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。 The insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 may be a stack of insulating films having a region where oxygen is higher than the stoichiometric composition ratio. For example, gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1) is formed over the oxide semiconductor layer 716, and the composition of the gallium oxide is Ga X Al 2 -X O 3 + α (0 < You may form the gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) of X <2, 0 <α <1). Note that the lower layer of the oxide semiconductor layer 716 may be a stack of insulating films having a region with more oxygen than the stoichiometric composition ratio, and both the upper layer and the lower layer of the oxide semiconductor layer 716 may be stoichiometric. An insulating film having a region where oxygen is higher than the composition ratio may be stacked.

次に、図12(C)に示すように、ゲート絶縁膜721、導電膜723、ゲート電極722を覆うように、絶縁膜724を形成する。絶縁膜724は、PVD法やCVD法などを用いて形成することができる。また、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、絶縁膜724には、誘電率の低い材料や、誘電率の低い構造(多孔性の構造など)を用いることが望ましい。絶縁膜724の誘電率を低くすることにより、配線や電極などの間に生じる寄生容量を低減し、動作の高速化を図ることができるためである。なお、本実施の形態では、絶縁膜724を単層構造としているが、本発明の一態様はこれに限定されず、2層以上の積層構造としても良い。   Next, as illustrated in FIG. 12C, an insulating film 724 is formed so as to cover the gate insulating film 721, the conductive film 723, and the gate electrode 722. The insulating film 724 can be formed by a PVD method, a CVD method, or the like. Alternatively, the insulating layer can be formed using a material including an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, gallium oxide, or aluminum oxide. Note that the insulating film 724 is preferably formed using a material with a low dielectric constant or a structure with a low dielectric constant (such as a porous structure). This is because by reducing the dielectric constant of the insulating film 724, parasitic capacitance generated between wirings and electrodes can be reduced, and operation speed can be increased. Note that although the insulating film 724 has a single-layer structure in this embodiment, one embodiment of the present invention is not limited to this, and a stacked structure of two or more layers may be used.

次に、ゲート絶縁膜721、絶縁膜724に開口部725を形成し、導電膜720の一部を露出させる。その後、絶縁膜724上に、上記開口部725において導電膜720と接する配線726を形成する。   Next, an opening 725 is formed in the gate insulating film 721 and the insulating film 724 so that part of the conductive film 720 is exposed. After that, a wiring 726 that is in contact with the conductive film 720 in the opening 725 is formed over the insulating film 724.

配線726は、PVD法や、CVD法を用いて導電膜を形成した後、当該導電膜をパターニングすることによって形成される。また、導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。   The wiring 726 is formed by forming a conductive film using a PVD method or a CVD method and then patterning the conductive film. As a material for the conductive film, an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, an alloy containing the above-described element as a component, or the like can be used. Any of manganese, magnesium, zirconium, beryllium, neodymium, scandium, or a combination of these may be used.

より具体的には、例えば、絶縁膜724の開口を含む領域にPVD法によりチタン膜を薄く(5nm程度)形成した後に、開口部725に埋め込むようにアルミニウム膜を形成する方法を適用することができる。ここで、PVD法により形成されるチタン膜は、被形成面の酸化膜(自然酸化膜など)を還元し、下部電極など(ここでは導電膜720)との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、アルミニウム膜のヒロックを防止することができる。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。   More specifically, for example, a method in which a titanium film is thinly formed (about 5 nm) by a PVD method in a region including an opening of the insulating film 724 and then an aluminum film is formed so as to be embedded in the opening 725 is applied. it can. Here, the titanium film formed by the PVD method has a function of reducing an oxide film (natural oxide film or the like) on the surface to be formed and reducing contact resistance with the lower electrode or the like (here, the conductive film 720). Further, hillocks of the aluminum film can be prevented. Further, after forming a barrier film made of titanium, titanium nitride, or the like, a copper film may be formed by a plating method.

絶縁膜724に形成する開口部725は、導電膜708と重畳する領域に形成することが望ましい。このような領域に開口部725を形成することで、コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制することができる。   The opening 725 formed in the insulating film 724 is preferably formed in a region overlapping with the conductive film 708. By forming the opening 725 in such a region, an increase in element area due to the contact region can be suppressed.

ここで、導電膜708を用いずに、不純物領域704と導電膜720との接続と、導電膜720と配線726との接続とを重畳させる場合について説明する。この場合、不純物領域704上に形成された絶縁膜712、絶縁膜713に開口部(下部の開口部と呼ぶ)を形成し、下部の開口部を覆うように導電膜720を形成した後、ゲート絶縁膜721及び絶縁膜724において、下部の開口部と重畳する領域に開口部(上部の開口部と呼ぶ)を形成し、配線726を形成することになる。下部の開口部と重畳する領域に上部の開口部を形成する際に、エッチングにより下部の開口部に形成された導電膜720が断線してしまうおそれがある。これを避けるために、下部の開口部と上部の開口部が重畳しないように形成することにより、素子面積が増大するという問題がおこる。   Here, the case where the connection between the impurity region 704 and the conductive film 720 and the connection between the conductive film 720 and the wiring 726 are overlapped without using the conductive film 708 is described. In this case, an opening (referred to as a lower opening) is formed in the insulating film 712 and the insulating film 713 formed over the impurity region 704, a conductive film 720 is formed so as to cover the lower opening, and then the gate is formed. In the insulating film 721 and the insulating film 724, an opening (referred to as an upper opening) is formed in a region overlapping with the lower opening, and the wiring 726 is formed. When the upper opening is formed in a region overlapping with the lower opening, the conductive film 720 formed in the lower opening may be disconnected by etching. In order to avoid this, if the lower opening and the upper opening are formed so as not to overlap, there is a problem that the element area increases.

本実施の形態に示すように、導電膜708を用いることにより、導電膜720を断線させずに上部の開口部を形成することが可能となる。これにより、下部の開口部と上部の開口部を重畳させて設けることができるため、開口部に起因する素子面積の増大を抑制することができる。つまり、半導体装置の集積度を高めることができる。   As shown in this embodiment mode, by using the conductive film 708, an upper opening can be formed without disconnecting the conductive film 720. Accordingly, since the lower opening and the upper opening can be provided so as to overlap with each other, an increase in element area due to the opening can be suppressed. That is, the degree of integration of the semiconductor device can be increased.

次に、配線726を覆うように絶縁膜727を形成する。上述した一連の工程により、半導体記憶装置を作製することができる。   Next, an insulating film 727 is formed so as to cover the wiring 726. A semiconductor memory device can be manufactured through the series of steps described above.

なお、上記作製方法では、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716の後に形成されている。よって、図12(B)に示すように、上記作製方法によって得られる第1のトランジスタ111は、導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716の上に形成されている。しかし、第1のトランジスタ111は、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜が、酸化物半導体層716の下、すなわち、酸化物半導体層716と絶縁膜712及び絶縁膜713の間に設けられていても良い。   Note that in the above manufacturing method, the conductive films 719 and 720 functioning as a source electrode and a drain electrode are formed after the oxide semiconductor layer 716. Thus, as illustrated in FIG. 12B, in the first transistor 111 obtained by the above manufacturing method, a conductive film 719 and a conductive film 720 are formed over the oxide semiconductor layer 716. However, in the first transistor 111, a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode is provided below the oxide semiconductor layer 716, that is, between the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713. May be.

図13に、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716と絶縁膜712及び絶縁膜713の間に設けられている場合の、第1のトランジスタ111の断面図を示す。図13に示す第1のトランジスタ111は、絶縁膜713を形成した後に導電膜719及び導電膜720の形成を行い、次いで酸化物半導体層716の形成を行うことで、得ることができる。   13A and 13B, the conductive film 719 and the conductive film 720 functioning as a source electrode and a drain electrode are provided between the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713. A cross-sectional view is shown. The first transistor 111 illustrated in FIG. 13 can be obtained by forming the conductive film 719 and the conductive film 720 after forming the insulating film 713 and then forming the oxide semiconductor layer 716.

ところで、不揮発性の半導体記憶装置に用いるトランジスタとして磁気トンネル接合素子(MTJ素子)が知られている。MTJ素子は、絶縁膜を介して上下に配置している膜中のスピンの向きが平行であれば低抵抗状態、反平行であれば高抵抗状態となることで情報を記憶する素子である。したがって、本実施の形態で示す酸化物半導体を用いた半導体記憶装置とは原理が全く異なっている。表1はMTJ素子と、本実施の形態に係る半導体記憶装置との対比を示す。 Incidentally, a magnetic tunnel junction element (MTJ element) is known as a transistor used in a nonvolatile semiconductor memory device. The MTJ element is an element that stores information by being in a low resistance state if the spin directions in the films arranged above and below the insulating film are parallel and in a high resistance state if the spin directions are antiparallel. Therefore, the principle is completely different from that of the semiconductor memory device including the oxide semiconductor described in this embodiment. Table 1 shows a comparison between the MTJ element and the semiconductor memory device according to the present embodiment.

MTJ素子は磁性材料を使用するためキュリー温度以上にすると磁性が失われてしまうという欠点がある。また、MTJ素子は電流駆動であるため、シリコンのバイポーラデバイスと相性が良いが、バイポーラデバイスは集積化に不向きである。そして、MTJ素子は書き込み電流が微少とはいえメモリの大容量化によって消費電力が増大してしまうといった問題がある。 Since the MTJ element uses a magnetic material, there is a drawback that the magnetism is lost when the temperature is higher than the Curie temperature. Further, since the MTJ element is current driven, it is compatible with a silicon bipolar device, but the bipolar device is not suitable for integration. The MTJ element has a problem that although the write current is very small, the power consumption increases due to the increase in memory capacity.

原理的にMTJ素子は磁界耐性に弱く強磁界にさらされるとスピンの向きが狂いやすい。また、MTJ素子に用いる磁性体のナノスケール化によって生じる磁化揺らぎを制御する必要がある。 In principle, the MTJ element is weak in magnetic field resistance, and when exposed to a strong magnetic field, the direction of spin tends to go wrong. In addition, it is necessary to control the magnetization fluctuation caused by the nanoscale formation of the magnetic material used in the MTJ element.

さらに、MTJ素子は希土類元素を使用するため、金属汚染を嫌うシリコン半導体のプロセスに組み入れるには相当の注意を要する。MTJ素子はビット当たりの材料コストから見ても高価であると考えられる。 Furthermore, since the MTJ element uses a rare earth element, it requires considerable care to incorporate it into a silicon semiconductor process that dislikes metal contamination. The MTJ element is considered to be expensive in view of the material cost per bit.

一方、本実施の形態で示す酸化物半導体を用いた半導体記憶装置は、チャネルを形成する半導体材料が金属酸化物であること以外は、素子構造や動作原理がシリコンMOSFETと同様である。また、酸化物半導体を用いた半導体記憶装置は磁界の影響を受けず、ソフトエラーも生じ得ないといった特質を有する。このことからシリコン集積回路と非常に整合性が良いといえる。 On the other hand, the semiconductor memory device using an oxide semiconductor described in this embodiment has the same element structure and operation principle as those of a silicon MOSFET except that a semiconductor material forming a channel is a metal oxide. A semiconductor memory device using an oxide semiconductor is not affected by a magnetic field and has a characteristic that a soft error cannot occur. Therefore, it can be said that the compatibility with the silicon integrated circuit is very good.

本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。   This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.

100 半導体記憶装置
101 記憶回路
102 第2の容量素子
103 電荷蓄積回路
104 データ検出回路
105 タイミング制御回路
106 インバータ回路
111 第1のトランジスタ
112 第2のトランジスタ
113 第1の容量素子
114 第3のトランジスタ
115 第4のトランジスタ
116 NAND回路
117 OR回路
150 信号処理装置
151 演算装置
152 演算装置
153 半導体記憶装置
154 半導体記憶装置
155 半導体記憶装置
156 制御装置
157 電源制御回路
201 遅延回路部
202 バッファ回路部
203 抵抗素子
204 容量素子
205 nチャネル型トランジスタ
206 pチャネル型トランジスタ
401 インバータ回路
402 半導体記憶装置
403 半導体記憶装置群
404 遅延高電源電位生成回路
700 基板
701 絶縁膜
702 半導体膜
703 ゲート絶縁膜
704 不純物領域
705 マスク
706 開口部
707 ゲート電極
708 導電膜
709 不純物領域
710 チャネル形成領域
711 不純物領域
712 絶縁膜
713 絶縁膜
716 酸化物半導体層
719 導電膜
720 導電膜
721 ゲート絶縁膜
722 ゲート電極
723 導電膜
724 絶縁膜
725 開口部
726 配線
727 絶縁膜
9900 基板
9901 ALU
9902 ALU・Controller
9903 Instruction・Decoder
9904 Interrupt・Controller
9905 Timing・Controller
9906 Register
9907 Register・Controller
9908 Bus・I/F
9909 ROM
9920 ROM・I/F
100 Semiconductor memory device 101 Memory circuit 102 Second capacitor element 103 Charge storage circuit 104 Data detection circuit 105 Timing control circuit 106 Inverter circuit 111 First transistor 112 Second transistor 113 First capacitor element 114 Third transistor 115 Fourth transistor 116 NAND circuit 117 OR circuit 150 signal processing device 151 arithmetic device 152 arithmetic device 153 semiconductor memory device 154 semiconductor memory device 155 semiconductor memory device 156 control device 157 power supply control circuit 201 delay circuit portion 202 buffer circuit portion 203 resistance element 204 capacitive element 205 n-channel transistor 206 p-channel transistor 401 inverter circuit 402 semiconductor memory device 403 semiconductor memory device group 404 delayed high power supply potential generation circuit 700 701 Insulating film 702 Semiconductor film 703 Gate insulating film 704 Impurity region 705 Mask 706 Opening 707 Gate electrode 708 Conductive film 709 Impurity region 710 Channel formation region 711 Impurity region 712 Insulating film 713 Insulating film 716 Oxide semiconductor layer 719 Conductive film 720 Conductive Film 721 gate insulating film 722 gate electrode 723 conductive film 724 insulating film 725 opening 726 wiring 727 insulating film 9900 substrate 9901 ALU
9902 ALU Controller
9903 Instruction Decoder
9904 Interrupt Controller
9905 Timing Controller
9906 Register
9907 Register Controller
9908 Bus I / F
9909 ROM
9920 ROM ・ I / F

Claims (6)

酸化物半導体を半導体層に有する第1のトランジスタ、第1の容量素子、及び第2のトランジスタを有する記憶回路を有し、
前記第1のトランジスタの第1端子は、データ入力線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのゲートは、クロック信号線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第1の容量素子の第1の電極に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第2のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記記憶回路に保持されたデータを読み出すための電荷を蓄積する第2の容量素子と、
電源電位線に電気的に接続され、前記第2の容量素子への電荷の蓄積を制御する電荷蓄積回路と、
前記第2の容量素子の第1の電極と前記第2のトランジスタの第1端子との導通状態または非導通状態を制御するデータ検出回路と、
タイミング制御回路と、
前記第2の容量素子の第1の電極の電位を反転して出力するインバータ回路と、を有し、
前記タイミング制御回路は、前記クロック信号線にクロック信号が供給される第1の期間において、前記クロック信号のトグル動作に応じて前記電荷蓄積回路と前記データ検出回路とが交互に導通状態となるように制御をし、且つ前記電源電位線に電源電圧が供給された直後の第2の期間において、前記電源電圧の信号と前記電源電圧の信号を遅延させた信号とにより、前記電荷蓄積回路による前記第2の容量素子への電荷の蓄積を制御するための信号を生成し、
前記第1のトランジスタは、前記第2のトランジスタの上に位置する半導体記憶装置。
A memory circuit including a first transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor layer, a first capacitor, and a second transistor;
A first terminal of the first transistor is electrically connected to a data input line;
A gate of the first transistor is electrically connected to a clock signal line;
A second terminal of the first transistor is electrically connected to a first electrode of the first capacitor;
A second terminal of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor;
A second capacitive element for accumulating charges for reading data held in the memory circuit;
A charge storage circuit electrically connected to a power supply potential line and controlling charge storage in the second capacitor element;
A data detection circuit that controls conduction or non-conduction between the first electrode of the second capacitor and the first terminal of the second transistor;
A timing control circuit;
An inverter circuit that inverts and outputs the potential of the first electrode of the second capacitive element,
In the first period in which the clock signal is supplied to the clock signal line, the timing control circuit causes the charge storage circuit and the data detection circuit to be alternately turned on according to the toggle operation of the clock signal. In the second period immediately after the power supply voltage is supplied to the power supply potential line, the charge storage circuit generates the power storage voltage signal and a signal obtained by delaying the power supply voltage signal. Generating a signal for controlling charge accumulation in the second capacitor element ;
The first transistor is a semiconductor memory device positioned on the second transistor .
酸化物半導体を半導体層に有する第1のトランジスタ、第1の容量素子、及び第2のトランジスタを有する記憶回路を有し、
前記第1のトランジスタの第1端子は、データ入力線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのゲートは、クロック信号線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第1の容量素子の第1の電極に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第2のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記記憶回路に保持されたデータを読み出すための電荷を蓄積する第2の容量素子と、
第1端子が電源電位線に電気的に接続され、第2端子が前記第2の容量素子の第1の電極に電気的に接続された第3のトランジスタと、
第1端子が前記第2の容量素子の第1の電極に電気的に接続され、第2端子が前記第2のトランジスタの第1端子に電気的に接続された第4のトランジスタと、
タイミング制御回路と、
前記第2の容量素子の第1の電極の電位を反転して出力するインバータ回路と、を有し、
前記タイミング制御回路は、前記クロック信号線にクロック信号が供給される第1の期間において、前記クロック信号のトグル動作に応じて前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとが交互に導通状態となるように制御をし、且つ前記電源電位線に電源電圧が供給された直後の第2の期間において、前記電源電圧の信号と前記電源電圧の信号を遅延させた信号とにより、前記第3のトランジスタを導通状態とするための信号を生成し、
前記第1のトランジスタは、前記第2のトランジスタの上に位置する半導体記憶装置。
A memory circuit including a first transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor layer, a first capacitor, and a second transistor;
A first terminal of the first transistor is electrically connected to a data input line;
A gate of the first transistor is electrically connected to a clock signal line;
A second terminal of the first transistor is electrically connected to a first electrode of the first capacitor;
A second terminal of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor;
A second capacitive element for accumulating charges for reading data held in the memory circuit;
A third transistor having a first terminal electrically connected to a power supply potential line and a second terminal electrically connected to a first electrode of the second capacitor;
A fourth transistor having a first terminal electrically connected to the first electrode of the second capacitor, and a second terminal electrically connected to the first terminal of the second transistor;
A timing control circuit;
An inverter circuit that inverts and outputs the potential of the first electrode of the second capacitive element,
In the first period in which the clock signal is supplied to the clock signal line, the timing control circuit is configured such that the third transistor and the fourth transistor are alternately turned on according to the toggle operation of the clock signal. In the second period immediately after the power supply voltage is supplied to the power supply potential line, the power supply voltage signal and the signal obtained by delaying the power supply voltage signal are used in the second period. Generate a signal to turn on the transistor ,
The first transistor is a semiconductor memory device positioned on the second transistor .
請求項1において、
前記データ検出回路は、前記第2の容量素子に蓄積された前記電荷の放出の有無により、前記第2の容量素子の第1の電極の電位を前記データが反転した信号に変換する回路である半導体記憶装置。
In claim 1,
The data detection circuit is a circuit that converts the potential of the first electrode of the second capacitive element into a signal in which the data is inverted, depending on whether or not the charge accumulated in the second capacitive element is released. Semiconductor memory device.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2のトランジスタはシリコンを半導体層に有する半導体記憶装置。
In any one of Claim 1 thru | or 3,
The semiconductor memory device, wherein the second transistor includes silicon in a semiconductor layer.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記電源電圧の信号を遅延させる回路は、遅延回路とバッファ回路とを有する半導体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4 ,
The circuit for delaying the signal of the power supply voltage is a semiconductor memory device having a delay circuit and a buffer circuit.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記タイミング制御回路は、前記電源電圧の信号と前記電源電圧の信号を遅延させた信号とが入力される否定論理積回路と、前記否定論理積回路の出力信号と前記クロック信号とが入力される論理和回路とを有する半導体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5 ,
The timing control circuit receives a negative logical product circuit to which the power supply voltage signal and a signal obtained by delaying the power supply voltage signal are input, and an output signal of the negative logical product circuit and the clock signal. A semiconductor memory device having an OR circuit.
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